POLITECHNIKA BIAŁOSTOCKA

Wydział Budownictwa i Inżynierii Środowiska

Katedra Ciepłownictwa

Instrukcja do zajęć laboratoryjnych na studiach zaocznych

1. Określenie krytycznej liczby Reynoldsa

1. 4

Laboratorium z przedmiotu

MECHANIKA płynów

Kod:

Opracował:

dr inż. Andrzej Gajewski

Białystok, marzec 2004

1. Cel ćwiczenia

Celem ćwiczenia jest określenie krytycznej liczby Reynoldsa dla przepływu w rurze.

2. Podstawy teoretyczne

Doświadczenie będące przedmiotem niniejszego ćwiczenia jest powtórzeniem znanego doświadczenia Reynoldsa. O charakterze przepływu wody w szklanej rurze (laminarny czy turbulentny) wnioskuje się w tym doświadczeniu na podstawie wizualnej obserwacji zabarwionej strugi, wprowadzonej w osi rury, równolegle do kierunku przepływu wody. W przypadku ruchu turbulentnego barwna struga rozprasza się tuż za wylotem rureczki doprowadzającej, rozpływając się w poprzek rury. W przypadku ruchu laminarnego zabarwiona struga tworzy wyizolowana nitkę, nie mieszając się z otaczającą wodą na bardzo długim odcinku. Charakter przepływu zależy od bezwymiarowego parametru, zwanego liczbą Reynoldsa:

,

(1)

gdzie:

v_śr — prędkość średnia wody w przekroju poprzecznym rury,

d_w — średnica wewnętrzna rury,

 — współczynnik lepkości kinematycznej.

Utrata stateczności przepływu, tzn. przekształcenie się przepływu laminarnego w turbulentny odbywa się przy określonej wartości liczby Reynoldsa, oznaczonej Re. Wartość tę nazywa się krytyczną liczbą Reynoldsa.

Określenie krytycznej liczby Reynoldsa w niniejszym ćwiczeniu polega na ustaleniu parametrów przepływu, a ściślej prędkości średniej, w taki sposób, aby przepływ znajdował się na granicy stateczności. Następnie oblicza się wartość liczby Reynoldsa.

3. Zakres ćwiczenia

Należy dokonać określenia krytycznej liczby Reynoldsa podczas przepływu wody przez szklaną rurę o d_w=24,3 (mm) ±0,2599 (mm) .

4. Budowa stanowiska

Zasadniczymi elementami stanowiska są: rura szklana (1) i rurka z zabarwioną cieczą (2).

Rys. 1. Schemat stanowiska. 1 — szklana rura, 2 — rurka doprowadzająca zabarwioną ciecz, 3 — rotametr wyposażony w zawór iglicowy, 4 — oporowy czujnik temperatury Pt 100/0°C, 5 — miernik temperatury, 6 — kurek kulowy na obejściu rotametru, 7 — kurki kulowe odcinające rotametr, 8 — zawór do regulacji wielkości strumienia zabarwionej cieczy, 9 — zbiornik z zabarwioną cieczą, 10 — kurek kulowy odcinający dopływ do zbiornika górnego, 11 — zbiornik górny, 12 — zawór odcinający dopływ do zbiornika z zabarwioną cieczą, 13 — rurka wodowskazowa, 14 — lejek do zalewania zabarwionej cieczy, 15 — zawór do zalewania zabarwionej cieczy, 16 — zawór do opróżniania zbiornika z zabarwioną cieczą, 17, 18 — rury doprowadzające wodę z instalacji wodociągowej, 19, 20 — rury odprowadzające wodę do kanalizacji.

Woda z instalacji wodociągowej jest doprowadzana przewodem (17) do zbiornika górnego (11), następnie poprzez rotametr (3) dopływa do szklanej rury 1. W trakcie przepływu jest mierzona temperatura wody za pomocą czujnika oporowego (4) podłączonego do miernika (5).

Do zbiornika z zabarwioną cieczą przed rozpoczęciem pomiarów jest nalewana woda, zabarwiona nadmanganianem potasowym, przez lejek (14) przy zamkniętych zaworach (8), (12) i (16) i odkręconym zaworze (15). Po zalaniu całego zbiornika należy zakręcić zawór (15). Poziom napełnienia zbiornika jest obserwowany na rurce wodowskazowej (13). W trakcie wykonywania pomiarów woda dopływająca przez zawór (12) wymusza przepływ zabarwionej wody przez rurkę (2) do szklanej rury (1).

W celu opróżnienia zbiornika (9) należy zakręcić rotametr (3), kurek (10) oraz zawory (8) i (12). Następnie odkręcić zawór (16), a kiedy w rurce wodowskazowej (13) pojawi się powietrze, to dla przyśpieszenia wypływu można odkręcić zawór (15).

5. Instrukcja obsługi

Po ustabilizowaniu się przepływu w szklanej rurze stopniowo zwiększać przepływ tak, aby zaobserwować moment przejścia z ruchu laminarnego w turbulentny. Zanotować wielkość strumienia objętości i temperaturę wody w momencie zmiany charakteru przepływu.

6. Metodyka pomiarów

1. Otworzyć kurek (10) i odpowietrzyć instalację;

2. Włączyć miernik temperatury (5) do sieci;

3. Sprawdzić, czy kurek (6) jest zamknięty, jeśli nie to zakręcić;

4. Sprawdzić, czy kurki (7) są otwarte, jeśli nie to odkręcić:

5. Odkręcając zawór (12) doprowadzić ciśnienie do zbiornika (9);

6. Doprowadzić zabarwioną ciecz do szklanej rury (1), odkręcając zawór (8).

7. Uruchomić niewielki przepływ przez szklaną rurę (1) tak, aby zabarwiona ciecz nie gromadziła się za wylotem;

8. Ustalić przepływ zabarwionej cieczy, regulując ciśnienie zaworami (12) i (8), tak aby tworzyła ona wyizolowaną nitkę;

9. Stopniowo zwiększać przepływ przez rotametr (3);

10. Po osiągnięciu wydatku 140 (l/h) obserwować, czy nie następuje przejecie ruchu laminarnego w turbulentny.

11. W momencie przejścia ruchu laminarnego w turbulentny zmierzyć wydatek i temperaturę wody dopływającej, a zmierzone wartości wpisać do tab. 1;

12. zmniejszyć wydatek poniżej 140 (l/h);

13. czynności i)÷l) powtórzyć 4 razy (wykonać w sumie 5 pomiarów);

14. zamknąć rotametr (3);

15. zamknąć kurek (10) i zawór (12);

16. zamknąć zawór (8).

7. Opracowanie wyników

1. Wyniki pomiarów zestawić w tab. 1.

2. Przeliczyć strumień objętości na m³/s.

3. Wyznaczyć prędkość średnią w przekroju poprzecznym szklanej rury (1) dla każdego z 5 pomiarów z równania:

,

(2)

4. Wyznaczyć wartość krytycznej liczby Reynoldsa dla każdego pomiaru.

5. Obliczyć wartość średnią krytycznej liczby Reynoldsa

6. Obliczyć błąd wyznaczenia krytycznej liczby Reynoldsa.

Uwaga! Jeżeli we wszystkich pomiarach temperatura wody była taka sama, to można najpierw obliczyć Q_śr i następnie Re_śr.

Tab. 1. Zestawienie wyników pomiarów.




8. Wymagania BHP

1. Do wykonywania ćwiczeń dopuszczeni są studenci, którzy zostali przeszkoleni (na pierwszych zajęciach) w zakresie szczegółowych przepisów BHP obowiązujących w laboratorium.

2. W trakcie wykonywania ćwiczeń obowiązuje ścisłe przestrzeganie przepisów porządkowych i dokładne wykonywanie poleceń prowadzącego.

3. Urządzenia elektryczne uruchamia prowadzący zajęcia.

4. Zabrania się manipulowania przy urządzeniach i przewodach elektrycznych bez polecenia.

5. Nie odkręcać zaworu do napełniania zbiornika cieczą zabarwioną 15, aby nie doszło do skażenia skóry lub poplamienia ubrania.

6. W przypadku skażenia skóry: zdjąć odzież, myć skórę dużą ilością chłodnej wody, najlepiej bieżącej.

7. W przypadku skażenia oczu: płukać oczy dużą ilością chłodnej wody, najlepiej bieżącej, około 15 minut (unikać silnego strumienia wody ze względu na ryzyko mechanicznego uszkodzenia rogówki). Wezwać lekarza.

9. Literatura uzupełniająca

1. W.J. Prosnak, „Ćwiczenia laboratoryjne z mechaniki płynów” Wydawnictwa Politechniki Warszawskiej 1975.

2. Walden H.: "Mechanika Płynów", Wydawnictwa Politechniki Warszawskiej, Warszawa 1978.

3. Kołodziejczyk L., Mańkowski S., Rubik M.: "Pomiary w inżynierii sanitarnej", Arkady, Warszawa 1980.

Politechnika Białostocka Ćwiczenie nr 4

Katedra Ciepłownictwa Określenie krytycznej liczby Reynoldsa

6

4

---