wypełnionych cieczą manometryczną, równoważącą mierzone ciśnienie. Zbiornik cieczy manometrycznej może być podnoszony lub opuszczany w zależności od tego, czy trzeba dokonać pomiaru nadciśnień, czy też podciśnień, a cała bateria może być pochylana pod dowolnym kątem, co zezwala na zwiększenie dokładności odczytu.

Dokładności pomiarów jakie można uzyskać za pomocą pochylanej baterii manometrów i przy zastosowaniu oleju jako cieczy manometrycznej wynoszą około 0,1 mm. Taka dokładność nie jest wystarczająca w niektórych badaniach, np. warstwy przyściennej - wtedy stosujemy mikromanometry specjalnego typu, nazywane manometrami zerowymi . Przykładem takiego przyrządu jest mikromanometr Ascania (rys. 11.8). Mierzy się w nim różnicę ciśnień obserwując, za pomocą mikroskopu, położenie poziomu zwierciadła cieczy w zbiorniku dolnym A względem ostrza K. Najpierw przyrząd zerujemy dla sprowadzając zbiornik górny B do położenia zerowego I i podnosząc lub opuszczając zbiornik A tak, aby ostrze K dotykało zwierciadła cieczy. Mierzona różnica ciśnień jest kompensowana przez podnoszenie zbiornika B do położenia II za pomocą śruby mikrometrycznej, aż do ponownego zetknięcia się ostrza K ze zwierciadłem cieczy; odpowiada ona różnicy wskazań
mikromanometru.

Rys. 11.8

Oprócz manometrów cieczowych stosowane są też manometry z różnego rodzaju elementami sprężystymi, jak np. rurka Bourdona (rys. 11.9), czy membrana (rys. 11.10) - budowane na zakresy od ciśnień bardzo małych (rzędu centymetra słupa wody), aż do ciśnień najwyższych (dokładność ich pomiaru wynosi około 1%). Różnica ciśnień panujących wewnątrz i na zewnątrz tych elementów powoduje prostowanie się rurki Bourdona i przesunięcie membrany. Ponieważ jeden koniec tych elementów jest zamocowany, ruch drugiego końca jest miarą ciśnienia.

Rys. 11.9

Rys. 11.10

Ciśnienia mierzone za pomocą manometrów ze sprężystymi elementami pomiarowymi mogą być łatwo przetworzone na odpowiednie sygnały elektryczne, gdy występuje konieczność rejestrowania wyników pomiarów w sposób ciągły. Rys. 11.9 przedstawia przykład takiego układu z tensometrem, jako czujnikiem odkształceń, a na rys. 11.10 odkształcenie membrany jest mierzone indukcyjnym czujnikiem prze-sunięcia. Wadą urządzeń zaopatrzonych w przetworniki jest konieczność ich cechowania, zaletą - krótki czas reakcji na sygnał.

Pomiary ciśnień są pomiarami bardzo często wykonywanymi w mechanice płynów, gdyż zezwalają one na wyznaczenie wielu innych wielkości charakteryzujących przepływ, a przede wszystkim prędkości płynu i natężenia przepływu.

Zasady działania takich przyrządów, opartych na wykorzystaniu równania Bernoulliego, zostały omówione w rozdziale 5.3.

Można przypuszczać, że w przypadku przepływu przez przewody prędkość płynu jest równoległa do osi przewodu. Natomiast podczas wypływu płynu z pompy, turbiny lub wentylatora kierunek prędkości nie jest tak wyrażnie zdeterminowany. Potrzebne są więc przyrządy zezwalające na wyznaczenie również kierunku prędkości. Do tego celu używane są sondy walcowe (rys. 11.11a) i sondy kulowe (rys. 11.11b), które oprócz otworków do mierzenia ciśnienia całkowitego oraz ciśnienia statycznego zaopatrzone są również w otworki do mierzenia skosu strumienia.

Rys. 11.11

Spośród wielu innych sposobów pomiaru prędkości wspomnimy jeszcze o anemometrze z grzanym włóknem i anemometrach mechanicznych.

Zasada działania termoanemometru (rys. 11.12) polega na wykorzystaniu chłodzącego efektu strumienia płynu, a także na własności zmiany rezystancji elektrycznej cienkiego platynowego lub wolframowego włókna (o średnicy 1 ÷ 5 μm i długości 1 mm) pod wpływem temperatury. Rezystancję włókna można zmierzyć za pomocą mostka Wheatstone'a i następnie, po jego odpowiednim wyskalowaniu, prędkość. Warunek równowagi termicznej zapisywany jest zwykle w postaci

wiążącej napięcie U mostka z prędkością przepływu V. Metoda termoanemometrii jest wykorzystywana powszechnie w metrologii przepływów turbulentnych, które wymagają zastosowania czujników o małej bezwładności i małych wymiarach.

Rys. 11.12

Działanie anemometrów mechanicznych opiera się natomiast na wy-korzystaniu sił aerodynamicznych wywieranych na odpowiednio ukształtowane elementy prędkościomierzy. Są one turbinkami czerpiącymi energię ze strumienia płynu i osiągającymi stałą prędkość obrotową, zależną od prędkości strumienia płynu i od strat tarcia. Przykładem takich przyrządów są: anemometr skrzydełkowy (rys. 11.13a) - używany do pomiaru prędkości w układach wentylacyjnych, anemometr czaszowy (rys. 11.13b) - używany do pomiaru prędkości wiatru oraz młynek hydromechaniczny (rys. 11.13c) - używany do pomiaru prędkości w rzekach.

Rys. 11.13

11.4. Urz*dzenia laboratoryjne do bada* modelowych

Tunele aerodynamiczne . Są to urządzenia służące do modelowych ba-dań rozkładów prędkości i ciśnienia wokół opływanych ciał oraz badania sił działających na opływane ciała. Mogą to być zarówno badania modelowe obiektów nieruchomych (np. hal przemysłowych, osiedli mieszkaniowych czy mostów), jak i badania ciał poruszających się (np. samolotów, czy samochodów) - dzięki zasadzie względności ruchu możemy bowiem zmieniać układ odniesienia i sprowadzać jedno z tych zagadnień do drugiego.

W tunelu aerodynamicznym wytwarzany jest strumień powietrza o niskim poziomie turbulencji i o możliwie jednorodnym rozkładzie prędkości w przestrzeni pomiarowej, zezwalającym na przeprowadzanie badań w otoczeniu opływanych ciał w warunkach zbliżonych do warunków naturalnych.

Współczesne tunele aerodynamiczne odznaczają się dużą różnorodnością układów konstrukcyjnych, wymiarów, sposobów zasilania itp. Spotyka się więc tunele o obiegu otwartym lub zamkniętym, o działaniu ciągłym lub krótkotrwałym, o otwar-tej lub zamkniętej przestrzeni pomiarowej, o silnie zróżnicowanych mocach, o różnych wymiarach i różnych czynnikach roboczych. Ze względu na maksymalną prędkość gazu, jaką można w nich uzyskać - odpowiednio do przyjętych w rozdziale 7.2 pięciu zakresów przepływu - rozróżnia się tunele aerodynamiczne:

- małych prędkości: Ma < 0,3,

- poddźwiękowe: Ma = 0,3 ÷ 0,8,

- okołodźwiękowe: Ma = 0,8 ÷ 1,5,

- naddźwiękowe: Ma = 1,5 ÷ 5,0,

- hiperdźwiękowe: Ma > 5,0.

Na rys. 11.14 przedstawiony jest schemat tunelu aerodynamicznego małych prędkości o obiegu zamkniętym. Strumień powietrza w trakcie obiegu w tunelu zmienia swoją prędkość, od dużej prędkości w przestrzeni pomiarowej do małych prędkości w komorze wyrównawczej. Zmniejszenie prędkości przy minimum strat uzyskuje się za pomocą dyfuzorów o kącie rozwarcia nie większym od 6° (ze względu na oderwanie strug od ścianek tunelu) - jeden z nich znajduje się zazwyczaj między przestrzenią pomiarową a wentylatorem, drugi natomiast, za wentylatorem. W narożach tunelu znajdują się kierownice o kształcie płatów nośnych zmniejszające straty zmiany kierunku obiegu powietrza. Wentylator napędzający strumień powietrza w tunelu jest wentylatorem o dużej sprawności, zaopatrzonym w kierownice po stronie napływu i prostownice po stronie odpływu z wentylatora, aby uzyskać strumień osiowosymetryczny.

Rys. 11.14

Tunele wodne . Budowa tunelu wodnego jest bardzo podobna do układu tu-nelu aerodynamicznego przedstawionego na rysunku 11.14. Różnica polega właściwie tylko na tym, że czynnikiem roboczym w tym tunelu jest woda, a nie powietrze. W tunelach wodnych wykonuje się badania statków, pocisków, torped i łodzi podwodnych.

Karuzele . Są to urządzenia stosowane do badania opływu powietrza lub wo-dy wokół modelu, przymocowanego do ramienia karuzeli, w pewnej odległości R od osi obrotu. Karuzela jest zazwyczaj umieszczona w budynku o kształcie walca, przy czym, jeśli jest przeznaczona do badań hydrodynamicznych, w budynku znajduje się pierścieniowy kanał wypełniony wodą (rys. 11.15). W przypadku badań w powie-

Rys. 11.15

trzu stosuje się specjalne osłony eliminujące oddziaływanie przepływów wtórnych na model, w przypadku badań modelu w wodzie występują dodatkowe problemy związane z tłumieniem fal powierzchniowych.

Baseny wodne . Są budowane do badań modelowych statków, zezwalających na ustalenie parametrów kadłuba, ocenę kołysań i sterowności statku oraz jego zachowania się na pełnym morzu. Dzielą się one na trzy kategorie:

- baseny wodne duże: długość 250 ÷ 400 m, długość modelu 5 ÷ 7 m, prędkość modelu 5 ÷ 7 ,

- baseny wodne średnie: długość 100 ÷ 200 m, długość modelu 5 ÷ 7 m, prędkość modelu 5 ÷ 7 ,

- baseny wodne małe: długość do 90 m, długość modelu 3 ÷ 5 m, prędkość modelu 4 ÷ 5 .

Rys. 11.16a przedstawia przekrój basenu wodnego do badań modelowych statków, a rys. 11.16b - jego widok z góry. Basen ten jest wyposażony w rozmaite urządzenia pomocnicze:

1 - urządzenie do wytwarzania falowania,

2 - filtry siatkowe,

3 - samobieżną suwnicę holowniczą z aparaturą pomiarową i pulpitem operatorskim, przeznaczoną do sterowania ruchem modelu statku,

4 - wózek jezdny suwnicy,

5 - urządzenie tłumiące falowanie.

Rys. 11.16

Kana*y wodne . Przeprowadzane są w nich badania modelowe budowli hy-drotechnicznych i ich elementów, przepływów w rzekach, opływów mostów, przepływów morskich, ujść wielkich rzek itp. Schemat jednego z możliwych rozwiązań takiego kanału przedstawiony jest na rys. 11.17.

Rys. 11.17

Wagi . Urządzenia wagowe są stosowane do pomiaru sił i moment działających na model płata lub samolotu umieszczonego w strumieniu powietrza w tunelu aerodynamicznym, albo też sił i momentów działających na model statku pływającego w basenie doświadczalnym. Schemat takiego urządzenia, stosowanego w badaniach modelowych statków, przedstawia rys. 11.18.

Rys. 11.18

Wizualizacja przep*yw*w . Bezpośrednia obserwacja lub fotografowanie opływu ciała stałego cieczą lub gazem jest niemożliwa, ponieważ w ośrodku jednorodnym nie można wyróżnić poszczególnych elementów płynu i ich torów. Stąd też metody wizualizacji opływów polegają na nadaniu przepływającemu ośrodkowi takich cech fizycznych, które umożliwiają bezpośrednią obserwację poszczególnych torów elementów płynu, bądź też na zastosowaniu specjalnych metod optycznych wykorzystujących zmiany właściwości optycznych ośrodka, spowodowane jego ruchem.

Stosowane różne metody wizualizacji można podzielić na trzy grupy:

- metody polegające na tym, że do badanego opływu wprowadza się elementy 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.

Sposób wizualizacji przepływów za pomocą dymu parafinowego, wytworzonego dzięki kondensacji par parafiny w strumieniu zimnego powietrza, przedstawiony jest na rys. 11.19. Aby otrzymać za pomocą dymu parafinowego obraz linii prądu w op-ływie ciała posługujemy się układem równo rozmieszczonych rurek, przez które wdmuchuje się dym do strumienia powietrza.

Rys. 11.19

11.5. Ruch cieczy w ośrodkach porowatych

Przedmiotem rozważań niniejszego rozdziału jest ruch płynu lepkiego poprzez ośrodki porowate tzn. ośrodki zawierające niezliczoną ilość drobnych przestrzeni i kanalików, nazywany filtracją. Filtracja ma podstawowe znaczenie w wielu dziedzinach technicznych jak np. w hydrotechnice, melioracji czy w urządzeniach wodociągowych i kanalizacyjnych.

Przepływ cieczy lepkiej przez ośrodek porowaty jest opisywany oczywiście równaniem ciągłości i równaniami Naviera-Stokesa, jednak sformułowanie zagadnienia opartego na równaniach Naviera-Stokesa, jest bardzo trudne ze względu na opis granic obszaru, w których odbywa się przepływ. Z tego też względu podstawę teorii ruchu cieczy poprzez ośrodki porowate stanowią badania eksperymentalne. Wynikiem takiego postępowania było sformułowanie prawa Darcy'ego (1856 r.)

(11.22)

orzekającego, że wydatek objętościowy cieczy jest wprost proporcjonalny do różnicy wysokości naporu (rys. 11.20)

(11.23)

i do przekroju poprzecznego σ warstwy ośrodka porowatego, a odwrotnie proporcjonalny do grubości warstwy ośrodka porowatego

(11.24)

Rys. 11.20

Współczynnik proporcjonalności k [] we wzorze (11.22) nazywany jest wsp**czynnikiem filtracji np.
dla piasku drobnoziarnistego,
dla piasku gruboziarnistego. Jednak współczynnik k wyraża się zwykle przy wykorzystaniu zależności

328

---