Ćwiczenie laboratoryjne nr 6

Wyznaczanie współczynników oporu ciał osiowo-symetrycznych
WYZNACZANIE WSPÓACZYNNIKÓW OPORU CIAA
OSIOWO-SYMETRYCZNYCH
6.1. Cel ćwiczenia
Celem ćwiczenia jest określenie wpływu kształtu ciała osiowo-symetrycznego na jego
opór oraz obliczenie współczynników oporu badanych ciał osiowo-symetrycznych.
6.2. Określenia
Podczas ruchu w powietrzu ciała mające oś symetrii lub płaszczyznę symetrii
równoległą do kierunku ruchu nie występuje na tych ciałach składowa reakcji prostopadła do
kierunku ruchu nazywana siłą nośną. Występuje jedynie składowa równoległa do kierunku
ruchu znana jako siła oporu. W przypadku, gdy kierunek strumienia opływającego ciało
osiowo-symetryczne nie będzie równoległy do osi symetrii opływanego ciała, wtedy
powstanie siła nośna.
Wiadomo, \e siła oporu jest wprost proporcjonalna do ciśnienia dynamicznego oraz
powierzchni czołowej opływanego ciała oraz od pewnej bezwymiarowej liczby zale\ącej od
kształtu opływanego ciała, jego usytuowania względem kierunku ruchu, liczby Reynoldsa i
przy du\ych prędkościach od liczby Macha. Liczba ta nosi nazwę współczynnika oporu i jest
oznaczana jako cx.
Ogólny wzór na siłę oporu ma postać:
2
�V"
Px = cx S
2
Podczas, gdy ciało jest opływane z małymi prędkościami, mo\emy zaniedbać ściśliwość.
Wtedy opór opływanego ciała osiowo-symetrycznego będzie składał się z oporu tarcia cxt i
oporu ciśnieniowego cxp (obejmuje opór oderwania i opór wirowy)
Opór tarcia zale\y od charakteru przepływu w warstwie przyściennej, natomiast opór
ciśnieniowy zale\y od kształtu ciała oraz od poło\enia obszaru oderwania warstwy
przyściennej od powierzchni opływanego ciała.
Zjawisko oderwania praktycznie nie występuje przy opływie ciał opływowych (np.:
kształt kroplowy). Dlatego te\ decydującym składnikiem oporu jest opór tarcia. Dla tego
rodzaju ciał współczynnik oporu zmienia się nieznacznie z liczbą Reynoldsa.
Na półkuli, czaszy kulistej, sto\ku kołowym ustawionym płaską powierzchnią
(ewentualnie wklęsłością) w kierunku napływającego strumienia oderwanie musi wystąpić na
ostrych krawędziach i opór tych ciał praktycznie nie zale\y od liczby Reynoldsa ( z
wyłączeniem przepływów przy bardzo małych liczbach Reynoldsa Re d" 1 ).
6.3. Stanowisko pomiarowe
Pomiary przeprowadza się w przestrzeni pomiarowej tunelu aerodynamicznego, w
której na wysięgniku (5) jednoskładowej wagi aerodynamicznej(4) umieszcza się modele(1)
ró\nych ciał osiowo-symetrycznych. Wszystkie badane ciała mają jednakową powierzchnię
czołową, którą jest koło. W celu uniknięcia oddziaływania powietrza na wysięgnik wagi
obudowano go profilowaną osłoną związaną nieruchomo z podstawą wagi.
Za pomocą rurki Prandtla(2) i manometru ró\nicowego(3) mierząc ciśnienie
dynamiczne mo\na określić prędkość strumienia w przestrzeni pomiarowej. Natomiast
parametry powietrza atmosferycznego nale\y odczytać z barometru oraz termometru
znajdujących się w pomieszczeniu laboratorium.
1
Ćwiczenie laboratoryjne nr 6
Siła, z jaką strumień oddziałuje na model jest przekazywana poprzez ramię wagi na wagę
komputerową Mensor (6). Odczyt wartości siły przeprowadza się na przyłączonym do wagi
komputerze PC (7).
Rys. 6.1 Schemat stanowiska pomiarowego
6.4. Metodyka pomiaru
1. Odczytać wartość ciśnienia atmosferycznego i temperatury powietrza wewnątrz
laboratorium i wpisać do protokołu pomiarowego
2. Uruchomić program obsługujący wagę elektroniczną.
" Otworzyć folder Advantech Genie znajdujący się na Pulpicie. Uruchomić
program Genie Runtime
" Z belki narzędziowej wybrać polecenie File i uruchomić plik waga6kg.gni
" Po uruchomieniu się programu nacisnąć przycisk start znajdujący się na belce
narzędziowej programu. Po pojawieniu się napisu Waga działa poprawnie
mo\na wytarować wagę poprzez naciśnięcie przycisku tara.
3. Zakładając po kolei wszystkie badane modele ciał osiowo-symetrycznych na
wysięgnik wagi pomiarowej dokonać pomiaru tary modeli Tx. Po ka\dym pomiarze
wytarować wagę. Wartości odczytane z programu obsługującego wagę elektroniczną
umieścić w odpowiedniej rubryce protokołu pomiarowego. Przy zakładaniu modelu
zwrócić szczególną uwagę na poprawność jego zamocowania oraz, by oś symetrii
modelu była równoległa do osi tunelu.
4. Po sprawdzeniu tary badanych modeli, jeden z nich pozostawić na wysięgniku, a
następnie uruchomić silnik napędzający wentylator tunelu za pomocą układu Ward-
Leonarda. Przy ustalonej wartości ró\nicy ciśnień "p mierzonej rurką Prandtla
dokonać pomiaru całkowitej siły oporu Gx. Do protokołu pomiarowego wpisać
2
Wyznaczanie współczynników oporu ciał osiowo-symetrycznych
zmierzoną wartość Gx i wartość "p przy której było to mierzone. Starać się, by przy
wszystkich pomiarach "p było w przybli\eniu stałe.
5. Zmniejszyć obrotu wentylatora do minimum, zdjąć model i zało\yć nowy. Powtarzać
czynności z pkt. 4.
6. Po zmierzeniu siły oporu modeli dokonać pomiar siły oporu trzpienia Dx przy takim
"p , przy jakim były badane modele. Wartość zanotować w protokole pomiarowym.
7. Po zakończeniu pomiarów ponownie odczytać wartość temperatury powietrza i
ciśnienia atmosferycznego.
8. Nacisnąć przycisk stop a następnie wyłączyć program obsługujący wagę.
9. Uruchomić pakiet Excell. Otworzyć plik CX.xls i wpisać odczytane wielkości do
arkusza kalkulacyjnego. Arkusz sam obliczy wartości współczynników oporu
poszczególnych ciał osiowo-symetrycznych i innych potrzebnych wielkości.
Słuchacze przepisują obliczone przez arkusz wartości do swojego protokołu
pomiarowego.
6.5. Oznaczenia i wzory obliczeniowe
Współczynnik oporu
Px
cx =
qS
gdzie: Px = (Gx - Tx - Dx ) �" 9,807 �"10-3[N]- siła oporu ciała osiowo-symetrycznego
Gx[G] -całkowita siła oporu ( razem z tarą i oporem trzpienia)
Tx[G] -tara modelu (siła potrzebna do zrównowa\enia wagi przy
niepracującym tunelu)
Dx[G]-opór trzpienia
N
2
q = k "p�ł 2 łł -ciśnienie dynamiczne
p
�łm śł
�ł �ł
k -współczynnik poprawkowy dla rurki Prandtla (równy 1.03)
p
"p[N/m2]- ró\nica ciśnień na rurce Prandtla
S[m2 ]- powierzchnia czołowa badanych modeli (koło o średnicy d=0.1 [m])
Liczba Reynoldsa
Vd
Re =
vt
2"p m
�ł łł
gdzie: V = k -prędkość przepływu w przestrzeni pomiarowej
p
śł
�t �ł s
�ł �ł
pa �ł łł N
kg
�t = 3.483�"10-3 -gęstość powietrza przy ciśnieniu pa �ł 2 łł i
3
�łm śł �łm śł
273 + t
�ł �ł �ł �ł
o
temperaturze t[ C]
�t �ł łł
m2
vt = -kinematyczny współczynnik lepkości przy danej temperaturze
śł
�t �ł s
�ł �ł
3
Ćwiczenie laboratoryjne nr 6
0,75
273 + t Ns
�ł �ł łł
�t = �0 �ł -dynamiczny współczynnik lepkości powietrza przy
�ł �ł
2
�łm śł
273
�ł łł �ł �ł
danej temperaturze
Ns
�0 = 17.064 �"10-6 �ł 2 łł -dynamiczny współczynnik lepkości dla powietrza w
�łm śł
�ł �ł
N
temperaturze 0o C i ciśnieniu atmosferycznym 101324.72�ł 2 łł (wg Tablic
�łm śł
�ł �ł
cieplnych Kuzmana Raznievica )
6.6. Opracowanie wyników pomiarów
Wyniki pomiarów oraz wartości obliczone przez formułę umieszczoną w Microsoft Excell
nale\y zamieścić w protokole pomiarowym otrzymanym od prowadzącego zajęcia.
W sprawozdaniu z ćwiczenia laboratoryjnego nale\y umieścić:
1. Schemat stanowiska pomiarowego
2. Stosowane wzory
3. Protokół pomiarowy
4. Spostrze\enia, uwagi i wnioski z przeprowadzonego ćwiczenia laboratoryjnego.
4

Wyszukiwarka