1 Pojęcia podstawowe mechaniki płynów (2)

background image

background image

background image

Zajmuje się badaniem zjawisk ruchu i równowagi cieczy i gazów, ze
szczególnym uwzględnieniem oddziaływania płynu na ścianki ciał
stałych, ograniczających płyn. Mechanika płynów jest częścią
mechaniki, najstarszego i podstawowego działu fizyki.

Mechanika p

Mechanika p

ł

ł

ynów

ynów

Ciała stałe – nie zmieniają swojego kształtu w sposób trwały pod
wpływem dostatecznie małych sił mechanicznych.

Płyny – zmieniają swój kształt w sposób trwały pod działaniem
dowolnie małych sił mechanicznych, byle tylko ich działanie trwało
dostatecznie długo.

Ciecze – zachowują niemal stałą objętość pod działaniem nawet
bardzo wielkich sił mechanicznych i przy dostatecznie małych
zmianach temperatury.
Gazy – mogą znacznie zmieniać swoją objętość pod działaniem sił
mechanicznych oraz zmian temperatury.

Płyny dzielimy umownie na ciecze i gazy.

background image

Według kryteriów obowiązujących w mechanice ciał stałych:

Podział mechaniki płynów

Ze względu na zastosowania i specyfikę badań:

• statyka płynów,
• kinematyka płynów,
• dynamika płynów.

• hydraulika,
• hydrodynamika,
• aerodynamika,
• dynamika gazów,
• teoria maszyn przepływowych,
• meteorologia,
• filtracja, akustyka, dynamika morza,

reologia, ...

background image

T e o r e t y c z n a

D o ś w ia d c z a ln a

N u m e r y c z n a

M e c h a n i k a P ły n ó w

Opis ruchu płynu.Weryfikacja praw

rządzących

ruchem płynów.

Możliwość

weryfikacji praw

rządzących ruchem

płynów metodami

numerycznymi.

W zależności od metody badania:

background image

Rozwój mechaniki płynów

Archimedes (287 - 212 BC, Grecja) – ustala
pierwsze prawidłowości równowagi cieczy,
przyczyniając się do rozwoju pierwszych
mechanizmów hydraulicznych.

Arystoteles (382 - 322 BC, Grecja) –
stwierdza, że pocisk porusza się w powietrzu
w wyniku oddziaływania cząstek powietrza
na jego tylną część. Nie znał pojęcia oporu.

Leonardo Da Vinci (1452 - 1519, Włochy) –
formułuje
w prawidłowy sposób pewną prawidłowość
oporu napotykanego przez ciało stałe
poruszające się w płynie.

background image

background image

background image

Isaac Newton (1642 - 1727, Anglia) – twórca
nowoczesnej mechaniki. Równania dynamiki.
Wprowadzenie pojęcia lepkości płynu.

Blaise Pascal (1623 - 1662, Francja) –
wprowadza pojęcie ciśnienia jako wielkości
skalarnej.

Galileusz (Galileo Galilei, 1564 - 1642,
Włochy) – prace związane z oporem cieczy.

background image

Leonard Euler (1707 - 1783, Szwajcaria) –
formułuje równania ruchu płynu doskonałego.

Daniel Bernoulli (1700 - 1783, Holandia) –
formułuje słynne równanie energetyczne, znane
do dziś jako równanie Bernoulliego.

Joseph Louis Lagrange (1736 - 1813,
Francja) – formułuje metodę analizy
wędrownej.

background image

Herman von Helmholtz (1821 - 1894,
Niemcy) – formułuje teorię ruchu wirowego
płynów doskonałych.

Louis Marie Henri Navier (1785 - 1836,
Francja) – formułuje równania ruchu
płynów lepkich.

George Gabriel Stokes (1819 - 1903,
Irlandia) – sformułował w 1845 r. hipotezę,
określającą deformację izotropowego płynu
lepkiego.

background image

Gotthilf Heinrich Ludwig Hagen (1797 -
1884, Niemcy) – pracuje nad przepływami
cieczy przez małe otwory.

Jean Louis Poiseuille (1799 - 1869,
Francja) – prace dotyczące przepływów
przez małe otwory.

Osborne Reynolds (1842 - 1912, Anglia) –
prace dotyczące klasyfikacji przepływów
płynów.

background image

Mikołaj Żukowski (1847 - 1921, Rosja) –
formułuje teorię cyrkulacyjną, objaśniającą
proces powstawania siły nośnej.

Ludwig Prandtl (1875 - 1953, Niemcy) –
formułuje teorię warstwy przyściennej.

Theodor von Karman (1881 - 1963,
Węgry) – bada tworzenie się wirów za
walcem.

background image

Teoretyczna mechanika płynów

Prawo zachowania masy (równanie ciągłości)

,

0

t

d

m

d

Równanie zachowania pędu (II prawo Newtona)

,

i

i

t

d

m

d

F

V

V

i

F

- prędkość

- siły zewnętrzne

Równanie zachowania energii (I zasada termodynamiki)

zmiana energii = wymiana ciepła + wykonana praca

Równania konstytutywne (hipotezy)

m - masa, t - czas.

background image

Eksperymentalna mechanika płynów

Pomiary wielkości fizycznych:

gęstość (piknometr, areometr)

background image

• lepkość (lepkościomierz, wiskozymetr)

lepkościomierz Redwooda

background image

lepkościomierz z opadającą
kulką

background image

• ciśnienie (manometr)

mikromanometr Ascania

background image

rurka Bourdona

background image

• prędkość (sondy, anemometry)

sonda walcowa sonda
kulowa

background image

anemometry mechaniczne

background image

Podobieństwo przepływów

Badania modelowe  – zezwalają na przewidywanie zachowania się
projektowanej konstrukcji, jeszcze nie zrealizowanej - co zapewnia
zwiększenie jej bezpieczeństwa oraz zmniejszenie ryzyka
finansowego.

Kryterium podobieństwa geometrycznego

x

x

y

y

z

z

k

r

m

r

m

r

m

l

 ,

k

l

- skala geometryczna

background image

Bezwymiarowe współrzędne i parametry geometryczne:



.

,

,

,

,

,

m

m

m

m

m

m

m

m

m

r

r

r

r

r

r

r

r

r

z

z

z

l

y

y

l

x

x

l

z

z

l

y

y

l

x

x

Kryterium podobieństwa kinematycznego – stosunki prędkości i
przyspieszeń obiektu rzeczywistego i modelu muszą zachowywać
stałe wartości:  

,

,

,

k

k

w

w

k

V

V

m

r

w

m

r

V

m

r

gdzie k

V

, k

w

i k

są skalami podobieństwa zjawisk.

Główne twierdzenie o podobieństwie zjawisk: dwa porównywane
zjawiska są podobne jeśli dają się przedstawić w formie
bezwymiarowej identycznym układem równań z identycznymi
warunkami brzegowymi i początkowymi.

background image

Urządzenia laboratoryjne do badań modelowych:

tunele aerodynamiczne – modelowe badania rozkładów prędkości i ciśnienia
wokół opływanych ciał oraz badania sił działających na opływane ciała

background image

baseny wodne – modelowe badania kadłubów statków

1 - urządzenie do wytwarzania falowania,
2 - filtry siatkowe,
3 - samobieżna suwnica holownicza z aparaturą pomiarową i
pulpitem operatorskim,
przeznaczona do sterowania ruchem modelu statku,
4 - wózek jezdny suwnicy,
5 - urządzenie tłumiące falowanie.

background image

kanały wodne – modelowe badania budowli
hydrotechnicznych i ich
elementów, przepływów w rzekach, opływów mostów, przepływów
morskich

background image

karuzele – badania modelowe opływu powietrza lub wody
wokół modelu, przymocowanego do ramienia karuzeli

background image

Wizualizacja przepływów:

- wprowadzanie elementów innego płynu lub elementy ciała stałego
o innej barwie lub innej przezroczystości niż płynący ośrodek,

- metody optyczne oparte na prawie załamania promieni świetlnych
przy przejściu przez ośrodek przezroczysty niejednorodny,
- specjalne metody wizualizacji opływu, np. do badania warstwy
przyściennej.

background image

Numeryczna mechanika płynów

Computational

Fluid

Dynamics

(CFD)

numeryczne

rozwiązywanie zagadnień opisujących ruch płynów lepkich (techniki
komputerowe, algorytmy obliczeniowe, języki programowania).
Eliminacja kosztownych badań eksperymentalnych.
Moc obliczeniowa – jest to liczba działań arytmetycznych, jakie
może wykonać komputer w danym czasie.

Jednostką mocy obliczeniowej jest FLOPS (ang. FLoating Operations
Per Second
) – liczba operacji zmiennoprzecinkowych na sekundę .

• 1 MFLOPS = 1 milion
FLOPS-ów,

• 1 GFLOPS = 1 miliard
FLOPS-ów,

• 1 TFLOPS = 1 bilion
FLOPS-ów,

• 1 PFLOPS = 1 biliard
FLOPS-ów,

Superkomputer – komputer o
bardzo wielkiej mocy
obliczeniowej.

background image

background image

Zastosowania CFD

background image

background image

background image

background image

background image

Numeryczna mechanika płynów jest m.in. intensywnie
wykorzystywana w przemyśle samochodowym. Wykorzystując
oprogramowanie firmy FLUENT dokonano analizy wirów tworzących
się za samochodem podczas wyścigu formuły pierwszej.

background image

background image

background image

Każda teoria opiera się na uproszczonych modelach badanych
zjawisk, zachowując ich cechy istotne i pomijając cechy mniej
istotne. W klasycznej mechanice płynów pomijamy cząsteczkową
strukturę płynu i traktujemy płyn jako ośrodek ciągły.

Zakres stosowalności modelu ośrodka ciągłego jest określony
stosunkiem średniej drogi swobodnej λ molekuł płynu do
charakterystycznego wymiaru liniowego l. Zakres ten określa liczba
Knudsena

.

Kn

l

Przyjmuje się, że model ośrodka ciągłego obowiązuje dla Kn < 0.1
(atmosfera ziemska - do wysokości 100 km). Wszystkie właściwości
makroskopowe płynu można traktować jako funkcje punktu (pola).

Element płynu – taka objętość, której wymiary
liniowe są wielkościami małego rzędu, w
porównaniu z wymiarami liniowymi ciała stałego
znajdującego się w płynie, bądź też naczynia
zawierającego płyn, ale która - z drugiej strony -
zawiera tak dużą liczbę cząsteczek płynu, że
właściwości makroskopowe płynu określone
w stosunku do tej objętości zachowują swój sens
(1 mm

3

wody zawiera 3*10

19

cząsteczek)

Δ

m

Δ

Δ

m

- masa

- objętość

- powierzchnia

background image

Pole – jest to obszar, w którym pewna wielkość fizykalna jest
funkcją ciągłą punktu, czyli każdemu punktowi obszaru
przyporządkowana jest określona wartość tej wielkości fizykalnej.
Wszystkie wielkości fizykalne, opisujące ruch płynu, mogą być
przedstawione jako odpowiednie pola:

H

- wielkość fizykalna,

x

,

y

,

z

- współrzędne punktów

obszaru,

t

- czas.

,

)

,

,

,

(

t

z

y

x

H

H

Pole ustalone lub stacjonarne

H

nie zależy od czasu

t

,

Pole nieustalone lub niestacjonarne

H

zależy od położenia

czasu, 
Pole trójwymiarowe lub przestrzenne

H

  jest funkcją

wszystkich trzech współrzędnych przestrzennych,

Pole dwuwymiarowe

H

jest funkcją tylko dwu współrzędnych,

Pole jednowymiarowe

H

jest funkcją tylko jednej współrzędnej.

background image

background image

Gęstość

Jest to granica stosunku elementarnej masy do elementarnej
objętości, gdy ta elementarna objętość zmniejsza się do zera:

Ciężar właściwy

Jest to granica stosunku ciężaru elementu płynu do jego
elementarnej objętości, gdy objętość ta zmniejsza się do zera:

.

m

kg

lim

3

0





m

.

m

N

lim

lim

3

0

0





g

m

g

G

background image

Lepkość (hipoteza Newtona)

Jest to własność płynu, dzięki której mogą pojawiać się w nim siły
ścinające.

 

U

h

,

Współczynnik  – zależy od własności

płynu. Jest nazywany dynamicznym
współczynnikiem lepkości,
albo w
skrócie lepkością dynamiczną

.





s

m

kg

m

s

N

2

U

h

background image

Stosunek lepkości dynamicznej μ do gęstości ρ nazywany jest
lepkością kinematyczną

,

s

m

2

Uogólnienie hipotezy Newtona:
uwzględnia się składową gradientu prędkości płynu, normalną do
płaszczyzny, na której występuje naprężenie styczne.

.

μ

n

d

V

d

s

m

10

10

s

m

10

2

5

4

2

6

- woda,

- powietrze.

background image

Płyny newtonowskie i nienewtonowskie

Płyn newtonowski – zachowuje się zgodnie z prawem Newtona,
np. powietrze, woda,
oleje mineralne.

Płyn nienewtonowski – zależności na naprężenia styczne są
nieliniowe, np. beton,
smoła.

background image

Lepkość zależy głównie od temperatury, nieznacznie zaś od
ciśnienia.

background image

Ściśliwość cieczy

Jest to zdolność do zmniejszania objętości na skutek działania sił
zewnętrznych (ciśnienia); jest charakteryzowana współczynnikiem
ściśliwości (względna zmiana objętości d

τ

/

τ do przyrostu ciśnienia

d

p)

Rozszerzalność cieplna cieczy

Stosunek względnej zmiany objętości do przyrostu temperatury,
który tę zmianę wywołał

,

N

m

1

2

d

p

d

p

- moduł sprężystości.

 

p

K

1

.

K

1

1





d

T

d

T

background image

Dla gazów doskonałych termodynamicznie zmiany gęstości związane
są ze zmianami temperatury i ciśnienia – zgodnie z równaniem
Clapeyrona

,

T

R

p

• ciecz doskonała – płyn nielepki i nieściśliwy,
• gaz doskonały – gaz nielepki, spełniający równanie
Clapeyrona,

• ciecz lepka – płyn lepki i nieściśliwy,
• gaz lepki – płyn ściśliwy, spełniający równanie
Clapeyrona.

Modele płynu

p - ciśnienie,

 - gęstość,

R - indywidualna stała gazowa,

T - temperatura.

Równanie stanu gazu doskonałego

termodynamicznie

background image

background image

Doświadczenie Reynoldsa (1883)

background image

Przepływ laminarny

Lamina (łac.) - łuska. Przepływ uwarstwiony – strumień płynu
stanowi zespół warstw płynu, przemieszczających się jedna
względem drugiej, bez ich mieszania.

background image

Przepływ turbulentny

Jest określeniem ruchu płynu, odznaczającego się
niestacjonarnością, poszczególne warstwy płynu mieszają się
ustawicznie, a poszczególne elementy płynu wykonują obok ruchu
głównego również nieregularne ruchy w innych kierunkach.

background image

Liczba Reynoldsa

Na podstawie wyników własnych badań Reynolds ustalił, że zmiana
charakteru przepływu zależy od wartości bezwymiarowej liczby
(nazwanej później liczbą Reynoldsa) i oznaczanej symbolem Re:

,

Re

l

U

Liczbę Reynoldsa odpowiadającą przejściu przepływu laminarnego w
turbulentny nazywamy krytyczną liczbą Reynoldsa - Re

kr

.

U - prędkość charakterystyczna,

l

- wymiar charakterystyczny, np. dla rury średnica,

- lepkość kinematyczna.

Przepływ laminarny: Re < Re

kr1

(Re  2300 dla przepływu w rurze),

Przepływ mieszany: Re

kr1

< Re < Re

kr2

,

Przepływ turbulentny: Re > Re

kr2

.


Document Outline


Wyszukiwarka

Podobne podstrony:
Mechanika płynów - podstawowe pojęcia 2, simr, mechanika płynów, mechanika płynów
ROZDZ0, Zbigniew Kosma Podstawy Mechaniki Płynów
Podstawy mechaniki płynów
ROZDZ8C, Zbigniew Kosma Podstawy Mechaniki Płynów
ROZDZ9C, Zbigniew Kosma Podstawy Mechaniki Płynów
ROZDZ8D, Zbigniew Kosma Podstawy Mechaniki Płynów
ROZDZ11A, Zbigniew Kosma Podstawy Mechaniki Płynów
ROZDZ5A, Zbigniew Kosma Podstawy Mechaniki Płynów
ROZDZ7B, Zbigniew Kosma Podstawy Mechaniki Płynów
ROZDZ5B, Zbigniew Kosma Podstawy Mechaniki Płynów
ROZDZ5C, Zbigniew Kosma Podstawy Mechaniki Płynów
ROZDZ7A, Zbigniew Kosma Podstawy Mechaniki Płynów
ROZDZ10B, Zbigniew Kosma Podstawy Mechaniki Płynów
ROZDZ7D, Zbigniew Kosma Podstawy Mechaniki Płynów
ROZDZ4B, Zbigniew Kosma Podstawy Mechaniki Płynów
ROZDZ8B, Zbigniew Kosma Podstawy Mechaniki Płynów
ROZDZ3A, Zbigniew Kosma Podstawy Mechaniki Płynów
ROZDZ12B, Zbigniew Kosma Podstawy Mechaniki Płynów
ROZDZ2B, Zbigniew Kosma Podstawy Mechaniki Płynów

więcej podobnych podstron