ÿþC h a p t e r 5
C o n t r o l V o l u m e A p p r o a c h
a n d C o n t i n u i t y P r i n c i p l e
P r o b l e m 5 . 1
A 1 0 - c m - d i a m e t e r p i p e c o n t a i n s s e a w a t e r t h a t o w s w i t h a m e a n v e l o c i t y o f 5
m / s . F i n d t h e v o l u m e o w r a t e ( d i s c h a r g e ) a n d t h e m a s s o w r a t e .
S o l u t i o n
T h e d i s c h a r g e i s
=
w h e r e i s t h e m e a n v e l o c i t y . T h u s
= 5 × × 0 1 2
4
= 0 0 3 9 3 m 3 / s
F r o m T a b l e A . 4 , t h e d e n s i t y o f s e a w a t e r i s 1 0 2 6 k g / m 3
T h e m a s s o w r a t e i s
= = 1 0 2 6 × 0 0 3 9 3 = 4 0 3 k g / s
2 9
3 0 C H A P T E R 5 . C O N T R O L V O L U M E A P P R O A C H A N D C O N T I N U I T Y P R I N C I P L E
P r o b l e m 5 . 2
T h e v e l o c i t y p r o l e o f a n o n - N e w t o n i a n u i d i n a c i r c u l a r c o n d u i t i s g i v e n b y
1 2
³ ´ 2 ¸
= 1
m a x
w h e r e m a x i s t h e v e l o c i t y a t t h e c e n t e r l i n e a n d i s t h e r a d i u s o f t h e c o n d u i t . F i n d
t h e d i s c h a r g e ( v o l u m e o w r a t e ) i n t e r m s o f m a x a n d
S o l u t i o n
T h e v o l u m e o w r a t e i s
Z
=
F o r a n a x i s y m m e t r i c d u c t , t h i s i n t e g r a l c a n b e w r i t t e n a s
Z
= 2
0
S u b s t i t u t i n g i n t h e e q u a t i o n f o r t h e v e l o c i t y d i s t r i b u t i o n
Z
1 2
³ ´ 2 ¸
= 2 m a x 1
0
R e c o g n i z i n g t h a t 2 = 2 w e c a n r e w r i t e t h e i n t e g r a l a s
Z
1 2
³ ´ 2 ¸
= m a x 1 2
0
Z
1 2
³ ´ 2 ¸ ³ ´ 2
= m a x 2 1
0
o r
Z
1
= m a x 2 [ 1 ] 1 2
0
2
= m a x 2 [ 1 ] 3 2 | 1
0
3
2
= m a x 2
3
3 1
P r o b l e m 5 . 3
A j e t p u m p i n j e c t s w a t e r a t 1 2 0 f t / s t h r o u g h a 2 - i n . p i p e i n t o a s e c o n d a r y o w
i n a n 8 - i n . p i p e w h e r e t h e v e l o c i t y i s 1 0 f t / s . D o w n s t r e a m t h e o w s b e c o m e f u l l y
m i x e d w i t h a u n i f o r m v e l o c i t y p r o l e . W h a t i s t h e m a g n i t u d e o f t h e v e l o c i t y w h e r e
t h e o w s a r e f u l l y m i x e d ?
S o l u t i o n
D r a w a c o n t r o l v o l u m e a s s h o w n i n t h e s k e t c h b e l o w .
B e c a u s e t h e o w i s s t e a d y
X
V · A = 0
A s s u m i n g t h e w a t e r i s i n c o m p r e s s i b l e , t h e c o n t i n u i t y e q u a t i o n b e c o m e s
X
V · A = 0
T h e v o l u m e o w r a t e a c r o s s s t a t i o n i s
µ ¶ 2
X
8
V · A = 1 0 ×
4 1 2
w h e r e t h e m i n u s s i g n o c c u r s b e c a u s e t h e v e l o c i t y a n d a r e a v e c t o r s h a v e t h e o p p o s i t e
s e n s e . T h e v o l u m e o w r a t e a c r o s s s t a t i o n b i s
µ ¶ 2
X
2
V · A = 1 2 0 ×
4 1 2
3 2 C H A P T E R 5 . C O N T R O L V O L U M E A P P R O A C H A N D C O N T I N U I T Y P R I N C I P L E
a n d t h e v o l u m e o w r a t e a c r o s s s t a t i o n c i s
µ ¶ 2
X
8
V · A = ×
4 1 2
w h e r e i s t h e v e l o c i t y . S u b s t i t u t i n g i n t o t h e c o n t i n u i t y e q u a t i o n
µ ¶ 2 µ ¶ 2 µ ¶ 2
2 8 8
1 2 0 × 1 0 × + × = 0
4 1 2 4 1 2 4 1 2
¡ ¢
1 2 0 × 2 2 + 1 0 × 8 2
=
8 2
= 1 7 5 f t / s
P r o b l e m 5 . 4
W a t e r o w s i n t o a c y l i n d r i c a l t a n k a t t h e r a t e o f 1 m 3 m i n a n d o u t a t t h e r a t e
o f 1 . 2 m 3 m i n . T h e c r o s s - s e c t i o n a l a r e a o f t h e t a n k i s 2 m 2 F i n d t h e r a t e a t
w h i c h t h e w a t e r l e v e l i n t h e t a n k c h a n g e s . T h e t a n k i s o p e n t o t h e a t m o s p h e r e .
S o l u t i o n
D r a w a c o n t r o l v o l u m e a r o u n d t h e u i d i n t h e t a n k . A s s u m e t h e c o n t r o l s u r f a c e
m o v e s w i t h t h e f r e e s u r f a c e o f t h e w a t e r .
3 3
T h e c o n t i n u i t y e q u a t i o n i s
Z
X
+ V · A = 0
T h e d e n s i t y i n s i d e t h e c o n t r o l v o l u m e i s c o n s t a n t s o
Z
X
+ V · A = 0
X
+ V · A = 0
T h e v o l u m e o f t h e u i d i n t h e t a n k i s = M a s s c r o s s e s t h e c o n t r o l s u r f a c e a t
t w o l o c a t i o n s . A t t h e i n l e t
V · A =
a n d a t t h e o u t l e t
V · A =
S u b s t i t u t i n g i n t o t h e c o n t i n u i t y e q u a t i o n
+ = 0
o r
=
1 1 2
=
2
= 0 1 m / m i n
3 4 C H A P T E R 5 . C O N T R O L V O L U M E A P P R O A C H A N D C O N T I N U I T Y P R I N C I P L E
P r o b l e m 5 . 5
W a t e r o w s s t e a d i l y t h r o u g h a n o z z l e . T h e n o z z l e d i a m e t e r a t t h e i n l e t i s 2 i n . ,
a n d t h e d i a m e t e r a t t h e e x i t i s 1 . 5 i n . T h e a v e r a g e v e l o c i t y a t t h e i n l e t i s 5 f t / s .
W h a t i s t h e a v e r a g e v e l o c i t y a t t h e e x i t ?
S o l u t i o n
B e c a u s e t h e o w i s s t e a d y , t h e c o n t i n u i t y e q u a t i o n i s
X
V · A = 0
A l s o , b e c a u s e t h e u i d i s i n c o m p r e s s i b l e , t h e c o n t i n u i t y e q u a t i o n r e d u c e s t o
X
V · A = 0
D r a w a c o n t r o l s u r f a c e t h a t i n c l u d e s t h e i n l e t a n d o u t l e t s e c t i o n s o f t h e n o z z l e a s
s h o w n .
A t t h e i n l e t , s t a t i o n 1 ,
µ ¶ 2
2
( V · A ) 1 = 5 × ×
4 1 2
A t t h e e x i t , s t a t i o n 2 ,
µ ¶ 2
1 5
( V · A ) 2 = 2 × ×
4 1 2
3 5
S u b s t i t u t i n g i n t o t h e c o n t i n u i t y e q u a t i o n
µ ¶ 2 µ ¶ 2
X
2 1 5
V · A = 5 × × + 2 × × = 0
4 1 2 4 1 2
o r
µ ¶ 2
2 0
2 = 5 × = 8 8 9 f t / s
1 5
P r o b l e m 5 . 6
A i r o w s s t e a d i l y t h r o u g h a 1 0 c m - d i a m e t e r c o n d u i t . T h e v e l o c i t y , p r e s s u r e , a n d
t e m p e r a t u r e o f t h e a i r a t s t a t i o n 1 a r e 3 0 m / s , 1 0 0 k P a a b s o l u t e , a n d 3 0 0 K . A t
s t a t i o n 2 , t h e p r e s s u r e h a s d e c r e a s e d t o 9 5 k P a a b s o l u t e , a n d t h e t e m p e r a t u r e r e -
m a i n s c o n s t a n t b e t w e e n t h e t w o s t a t i o n s ( i s o t h e r m a l o w ) . F i n d t h e m a s s o w
r a t e a n d t h e v e l o c i t y a t s t a t i o n 2 .
S o l u t i o n
T h e m a s s o w r a t e i s
=
T h e d e n s i t y i s o b t a i n e d f r o m t h e e q u a t i o n o f s t a t e f o r a n i d e a l g a s .
=
A t s t a t i o n 1
1 0 0 × 1 0 3 N / m 2
1 = = 1 1 6 k g / m 3
2 8 7 J / k g K × 3 0 0 K
T h e o w r a t e i s
= 1 1 6 × 3 0 × × 0 1 2 = 0 2 7 3 k g / s
4
B e c a u s e t h e o w i s s t e a d y , t h e c o n t i n u i t y e q u a t i o n r e d u c e s t o
X
V · A = 0
3 6 C H A P T E R 5 . C O N T R O L V O L U M E A P P R O A C H A N D C O N T I N U I T Y P R I N C I P L E
w h i c h s t a t e s t h a t t h e r a t e o f m a s s o w t h r o u g h s t a t i o n 1 w i l l b e e q u a l t o t h a t
t h r o u g h s t a t i o n 2 . T h e a i r d e n s i t y a t s t a t i o n 2 i s
9 5 × 1 0 3 N / m 2
2 = = 1 1 0 k g / m 3
2 8 7 J / k g K × 3 0 0 K
T h e m a s s o w i s t h e s a m e a t e a c h s t a t i o n . T h u s
( ) 1 = ( ) 2
S o
1 1 1 6
2 = 1 = 3 0 × = 3 1 6 m / s
2 1 1 0
P r o b l e m 5 . 7
W a t e r o w s s t e a d i l y t h r o u g h a 4 - c m d i a m e t e r p i p e t h a t i s 1 0 - m l o n g . T h e p i p e
w a l l i s p o r o u s , l e a d i n g t o a s m a l l o w t h r o u g h t h e p i p e w a l l . T h e i n l e t v e l o c i t y i s
1 0 m / s , a n d t h e e x i t v e l o c i t y i s 9 m / s . F i n d t h e a v e r a g e v e l o c i t y o f t h e w a t e r t h a t
i s p a s s i n g t h r o u g h t h e p o r o u s s u r f a c e .
S o l u t i o n
T h e o w r a t e i s s t e a d y , a n d t h e u i d i s i n c o m p r e s s i b l e s o t h e c o n t i n u i t y e q u a t i o n
r e d u c e s t o
X
V · A = 0
D r a w a c o n t r o l s u r f a c e a r o u n d t h e p i p e . T h e e n t r a n c e i s s t a t i o n 1 , t h e e x i t i s
s t a t i o n 2 , a n d t h e s u r f a c e o f t h e p o r o u s p i p e i s s t a t i o n 3 .
F o r s t a t i o n 1
( V · A ) 1 = 1 0 × × 0 0 4 2
4
3 7
F o r s t a t i o n 2
( V · A ) 2 = 9 × × 0 0 4 2
4
F o r t h e p o r o u s s u r f a c e
( V · A ) 3 = 3 × × 0 0 4 × 1 0
T h e c o n t i n u i t y e q u a t i o n i s
1 0 × × 0 0 4 2 + 9 × × 0 0 4 2 + 3 × × 0 0 4 × 1 0 = 0
4 4
o r
3 = 0 0 0 1 m / s
P r o b l e m 5 . 8
W a t e r i s f o r c e d o u t o f a 2 - c m d i a m e t e r n o z z l e b y a 6 - c m - d i a m e t e r p i s t o n m o v -
i n g a t a s p e e d o f 5 m / s . D e t e r m i n e t h e f o r c e r e q u i r e d t o m o v e t h e p i s t o n a n d t h e
s p e e d o f t h e u i d j e t ( 2 ) . N e g l e c t f r i c t i o n o n t h e p i s t o n a n d a s s u m e i r r o t a t i o n a l
o w . T h e e x i t p r e s s u r e ( 2 ) i s a t m o s p h e r i c .
S o l u t i o n
W h e n o w i s i r r o t a t i o n a l , t h e B e r n o u l l i e q u a t i o n a p p l i e s . A p p l y i n g t h i s e q u a t i o n
a l o n g t h e n o z z l e c e n t e r l i n e b e t w e e n l o c a t i o n s 1 a n d 2 g i v e s
2
1 1 2 2 2
+ = + ( 1 )
2 2
T h e c o n t i n u i t y p r i n c i p l e i s
1 1 = 2 2
S o
0 0 6 2
2 = ( 5 m / s )
0 0 2 2
= 4 5 m / s ( 2 )
L e t t i n g 2 = 0 k P a g a g e a n d c o m b i n i n g E q s . ( 1 ) a n d ( 2 )
2
2 2 1
1 =
2
4 5 2 5 2
= ( 1 0 0 0 )
2
= 1 M P a
3 8 C H A P T E R 5 . C O N T R O L V O L U M E A P P R O A C H A N D C O N T I N U I T Y P R I N C I P L E
S i n c e t h e p i s t o n i s m o v i n g a t a c o n s t a n t s p e e d , t h e a p p l i e d f o r c e i s b a l a n c e d b y
t h e p r e s s u r e f o r c e .
= 1 1
¡ ¢
= ( 1 M P a ) × 0 0 6 2 4 m 2
= 2 8 3 k N
P r o b l e m 5 . 9
T h e s k e t c h s h o w s a f e r t i l i z e r s p r a y e r t h a t u s e s a V e n t u r i n o z z l e . W a t e r m o v i n g
t h r o u g h t h i s n o z z l e r e a c h e s a l o w p r e s s u r e a t s e c t i o n 1 . T h i s l o w p r e s s u r e d r a w s
l i q u i d f e r t i l i z e r ( a s s u m e f e r t i l i z e r h a s t h e p r o p e r t i e s o f w a t e r ) u p t h e s u c t i o n t u b e ,
a n d t h e m i x t u r e i s j e t t e d t o a m b i e n t a t s e c t i o n 2 . N o z z l e d i m e n s i o n s a r e 1 = 3
m m , 2 = 9 m m , a n d = 1 5 0 m m . D e t e r m i n e t h e m i n i m u m p o s s i b l e w a t e r s p e e d
( 2 ) a t t h e e x i t o f t h e n o z z l e s o t h a t u i d w i l l b e d r a w n u p t h e s u c t i o n t u b e .
S o l u t i o n
S i n c e w e a r e l o o k i n g f o r t h e l o w e r l i m i t o f o p e r a t i o n , a s s u m e i n v i s c i d o w s o t h a t t h e
B e r n o u l l i e q u a t i o n a p p l i e s . A l s o a s s u m e t h a t t h e p r e s s u r e a t 1 i s j u s t l o w e n o u g h
t o d r a w u i d u p t h e s u c t i o n t u b e , m e a n i n g t h e r e i s n o o w i n t h e s u c t i o n t u b e .
I d e n t i f y l o c a t i o n s 1 t o 3 a s s h o w n b y t h e p o i n t s i n t h e s k e t c h b e l o w .
A p p l y i n g t h e h y d r o s t a t i c p r i n c i p l e ( c o n s t a n t p i e z o m e t r i c p r e s s u r e i n a u i d o f c o n -
s t a n t d e n s i t y ) b e t w e e n 1 a n d 3 g i v e s
3 = 1 + ( 1 3 )
3 9
L e t 3 = 0 k P a g a g e , a n d l e t ( 1 3 ) = ( + 1 2 ) .
1 = ( + 1 2 ) ( 1 )
A p p l y i n g t h e B e r n o u l l i e q u a t i o n b e t w e e n 1 a n d 2 g i v e s
2
1 1 2 2 2
+ = + ( 2 )
2 2
T h e c o n t i n u i t y p r i n c i p l e i s
1 1 = 2 2 ( 3 )
L e t 2 = 0 k P a g a g e , a n d c o m b i n e E q s . ( 2 ) a n d ( 3 ) .
µ ¶
2 2 4
2
1 = 1 ( 4 )
2 4
1
C o m b i n e E q s . ( 1 ) a n d ( 4 ) .
µ ¶
2
2 4
2
( + 1 2 ) = 1
2 4
1
Ã
µ ¶ 4 !
2
1 0 0 0 × 2 9
9 8 0 0 ( 0 1 5 + 0 0 0 3 2 ) = 1
2 3
S o
2 = 0 . 1 9 3 m / s
P r o b l e m 5 . 1 0
S h o w t h a t t h e v e l o c i t y e l d
µ ¶
2 2 3
V = 2 i j + k
2 2 3
s a t i s e s t h e c o n t i n u i t y e q u a t i o n f o r a n i n c o m p r e s s i b l e o w a n d n d t h e v o r t i c i t y a t
t h e p o i n t ( 1 , 1 , 1 ) .
S o l u t i o n
T h e c o n t i n u i t y e q u a t i o n f o r t h e o w o f a n i n c o m p r e s s i b l e u i d i s
· V = + + = 0
S u b s t i t u t i n g i n t h e v e l o c i t y d e r i v a t i v e s
2 + 2 0
s o c o n t i n u i t y e q u a t i o n i s s a t i s e d .
4 0 C H A P T E R 5 . C O N T R O L V O L U M E A P P R O A C H A N D C O N T I N U I T Y P R I N C I P L E
T h e e q u a t i o n f o r v o r t i c i t y i s
= × V
µ ¶ µ ¶ µ ¶
= i + j + k
S u b s t i t u t i n g i n t h e v e l o c i t y d e r i v a t i v e s
µ ¶ ¸
¡ ¢
2 3 2
= i + + j ( 2 0 ) + k 0 2
2 3 2
S u b s t i t u t i n g v a l u e s a t p o i n t ( 1 , 1 , 1 )
2
= i + 2 j k
3
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