Cel ćwiczenia
Celem ćwiczenia jest doświadczalne wyznaczenie współczynnika [ni] małego otworu lub przystawki dla ustalonego wypływu cieczy ze zbiornika, w zależności od liczby Reynoldsa (Re), Froude'a (Fr) i Webera (We).
Podstawy teoretyczne
W praktyce hydraulicznej często spotykanym zagadnieniem jest wypływ cieczy przez otwory. Zjawisko to może towarzyczyć różnorodnym problemom hydrotechnicznym (np. eksplatacji zbiorników retencyjnych i zwiazanych z nimi upustów, przepływowi cieczy w kanale z umieszczoną w nim zasuwą, awarii obwałowań i powstawaniu w nich ubytków itp.) lub też może ono stanowić osobne zagadnienie (np. w przypadku eksploatacji zbiorników na ciecze). W zależności od rodzaju problemu, otwory mogą mieć regularne kształty (otwory projektowane - najczęsciej kołowe lub prostokątne) lub nieregularne (otwory naturalne, np. wyrwy w ściankach obwałowań). Istotą wypływu cieczy prze otwór jest fakt, ze światło otworu od wewnętrznej strony ścianki jest całkowicie zakryte cieczą.
http://screencast.com/t/4t82jqdNSw
Wypływ z otworu traktowany jest jako zjawisko o charakterze lokalnym. Oznacza to, że specyfika analizowanego obiektu ma wpływ na warunki przepływu tylko w tzw. „strefie bliskiej”, czyli bezpośrednio przylegającej do przegrody, w której znajduje się otwór. W strefie tej obserwuje się wyraźne zakrzywienie linii prądu, powstanie stref mertwych oraz obszerów silnych zawirowań. W efekcie pole prędkości w bezpośrednim sąsiedztwie otworu ma bardzo złożony i trudny do opisu charakter. Z tego też względu, w praktyce stosuje się szereg uproszczeń, mających na celu ułatwienie obliczeń wielkości charakteryzującej przepływ. Powodowane tymi uproszczeniami błedy kompensuje się współczynnikami o charakterze empirycznym.
Najczęsciej wypływ cieczy z otworu odbywa się do przestrzeni wypełnionej powietrzem (wypływ swobodny). Niekiedy jednak po zewnętrznej stronie zbiornika znajduje się przestrzeń wypełniona cieczą. W zależności od położenia zwierciadła cieczy po zewnętrznej stronie zbiornika, otwór może więc mieć charakter niezatopiony, częsciowo zatopiony lub zatopiony.
Wypływ z otworu niezatopionego ma charakter swobodny, odbywa się do przestrzeni wypełnionej powietrzem, a zwierciadło cieczy po zewnętrznej stronie otworu, jeśli jest, to znajduje się poniżej dolnej krawędzi otworu. Z otworu zatopionego strumień cieczy wpływa do obszaru wypełnionego cieczą (np. innego zbiornika), a zwierdziadło cieczy po stronie zewnętrznej znajduje się powyżej górnej krawędzi otworu. Sytuacja pośrednia jest wypływem z otworu częściowo zatopionego.
Klasyfikacja otworów ze względu na zróżnicowanie ciśnienia w obszarze otworu:
otwór mały - tj. taki, na którego powierzchni ciśnienie wody zmienia się
nieznacznie (różnica δ pomiędzy ciśnieniem w najniżej i najwyżej położonym punkcie
otworu jest zaniedbywalnie mała w stosunku do jego wartości w środku ciężkości otworu).
Przyjmuje się wtedy, że ciśnienie, a zatem i prędkości we wszystkich punktach otworu są
takie same i równe odpowiednim wartościom obliczonym dla środka ciężkości otworu.
Założenie to można przyjąć, gdy: H ≥ 5 d,
otwór duży (rys. 21) - różnica δ między ciśnieniem maksymalnym (w najniższym punkcie otworu) a minimalnym - w najwyższym jest znaczna (warunek praktyczny: H < 5 d).