Wykład 02 Przepływy płynów


Przepływy płynów
Płyny są to ciecze lub gazy.
Cechy płynów:
1. Aatwość zmiany wzajemnego położenia elementów płynu względem siebie. W ciałach
stałych jest to możliwe jedynie pod działaniem dużych sił zewnętrznych.
2. Płyny przybierają kształt zbiornika, w którym się znajdują. Ciecze tworzą w zbiorniku
powierzchnię swobodna, natomiast gazy wypełniają całkowicie jego objętość.
3. Gazy mają znacznie większą ściśliwość w stosunku do cieczy, tzn. zdolność do zmiany
objętości pod wpływem sił zewnętrznych.
W opisie przepływu płynów najważniejszymi właściwościami są gęstość i lepkość.
Rozpatrując gęstość płyny można podzielić na płyny ściśliwe (gazy) i płyny nieściśliwe
(ciecze).
Siły działające w płynach:
1. Masowe (objętościowe): siły grawitacji, siły bezwładności (d'Alamberta). Siły te
odniesione do jednostki masy mają wymiar przyspieszenia).
2. Powierzchniowe, które mogą być normalne lub styczne do rozpatrywanych powierzchni.
W zagadnieniach statyki znaczenie mają tylko siły normalne. Płyny mają znikomą
zdolność do przenoszenia naprężeń rozciągających, stąd praktyczne znaczenie mają tylko
siły ściskające. Siły powierzchniowe odniesione do jednostki powierzchni mają wymiar
ciśnienia.
Do uproszczonych rozważań dotyczących przepływu płynów wprowadzono pojęcie
płynu idealnego (doskonałego).
Przez gaz doskonały rozumie się zbiór cząsteczek doskonale sprężystych, które
można traktować jako punkty materialne pomiędzy którymi nie występują żadne siły
międzycząsteczkowe. Gazy doskonałe spełniają prawo Boyla-Mariotta, Gay-Lusaca,
Cherles a i Clapeyrona.
Ciecz doskonała jest pozbawiona lepkości, nieściśliwa i nie zmienia swej objętości
wraz ze zmianą temperatury  ma stałą objętość. W cieczy doskonałej nie ma oddziaływań
międzycząsteczkowych.
W przyrodzie nie ma płynów doskonałych. Płyny rzeczywiste opisujemy za pomocą
równań dla płynów doskonałych z pewnymi poprawkami. Przez poprawki rozumiemy jakieś
mnożniki lub wyrażenia uwzględniające pewne właściwości płynów.
Zdefiniujmy gęstość. Jak wiadomo jest to iloraz masy i objętości płynu.
m
r =
V
Gęstość jest stała w stałej temperaturze.
Ciecze są praktycznie nieściśliwe, co dla wody można zilustrować za pomocą zależności:
DV Dp
= -510-5
V p
Dla gazów istnieje zależność gęstości od ciśnienia i temperatury.
Dla gazów doskonałych zależność tę można wyprowadzić z równania Clapeyrona:
p V = n RT
m
p V = RT
M
skąd
1
p M
r =
RT
Dla gazów rzeczywistych zależność ta jest modyfikowana do postaci:
p M
r =
z RT
gdzie z  współczynnik ściśliwości gazu.
W przepływach cieczy rzeczywistych występują siły ścinające:
y
F
w
Nieruchoma powierzchnia
Stosunek siły ścinającej F do pola powierzchni A nazywa się naprężeniem ścinającym i jego
wielkość dla przepływu płynu rzeczywistego została opisana przez Newtona zależnością:
F dw
= t = -h
A dy
Z równania tego wynika, że naprężenia ścinające powodujące wzajemne przesuwanie się
dwóch warstw cieczy oddalonych od siebie o odległość dy jest wprost proporcjonalne do
gradientu prędkości w tym kierunku. Współczynnik proporcjonalności h nazywa się
współczynnikiem lepkości dynamicznej, lepkością dynamiczną lub po prostu lepkością. Dla
płynów newtonowskich, tj. gazów i większości cieczy np. wody, oleju, alkoholu itp. Jest to
wielkość stała zależna tylko od temperatury. Wymiar współczynnika lepkości dynamicznej
wynika oczywiście z równania Newtona:
N m
= [h]
m2 s m
N
[h]= s = Pa s
m2
Wśród płynów  nienewtonowskich czyli nie stosujących się do prawa Newtona można
wymienić galarety, pasty, farby olejne, szlamy, zawiesiny itp.
Średnia prędkość płynu
Przepływ płynu przez rurociąg może zaistnieć wtedy, gdy w rozpatrywanym wycinku
rurociągu wystąpi gradient ciśnienia. Można to powiedzieć inaczej: gradient ciśnienia
&
Dp > 0 wywołuje ruch płynu m > 0 (strumień masy płynu jest większy od zera). Jak
wytworzyć taki gradient ciśnienia? Dla cieczy najprostszym sposobem jest pochylenie
rurociągu, to znaczy, zastosowanie różnicy poziomów pomiędzy wlotem i wylotem. Innym
sposobem może być zastosowanie pompy lub dla gazu wentylatora czy dmuchawy.
2
s
Badania doświadczalne wykazały, że prędkość płynu w rurociągu nie jest stała.
Największa jest w osi rury, a najmniejsza w pobliżu ścianki. Spowodowane jest to tarciem
płynu o ścianki rury, a także tarciem wewnętrznym (lepkością).
Jeżeli w odległości r od osi rurociągu wyznaczy się pierścień o grubości dr i polu
powierzchni przekroju:
dA = 2p r dr ,
który porusza się z prędkością wr, to różniczkowy strumień objętości płynu wyrazi się
wzorem:
&
dV = wr dA = 2p r wr dr ,
a cały strumień objętości płynu:
R
&
V = r wr dr
2p
0
Prędkością średnią płynu nazywamy stosunek całkowitego strumienia do całego pola
powierzchni przekroju poprzecznego rurociągu.
R
&
V 1
wśr = =
2p r wr dr
A A
0
Aby obliczyć prędkość średnią płynu w rurociągu za pomocą powyższego wzoru należy
poznać (zmierzyć) rozkład prędkości lokalnych wzdłuż całego przekroju poprzecznego.
Średnie prędkości w rurociągach przemysłowych
Ciecze newtonowskie 1  3 m/s
Ciecze lepkie 0,3  2 m/s
Gazy 8  25 m/s
Para wodna nasycona 20  40 m/s
Para wodna przegrzana 30  50 m/s.
3
r
r
d
Rodzaje przepływów
Reynolds wykorzystał bardzo prostą instalację pokazaną na poniższym rysunku, za
pomocą której stwierdził, że płyny poruszają się odmiennie w zależności od prędkości, z jaką
płyną przez rurociąg.
Zwiększając średnicę rur obserwował ruch laminarny nawet przy większych prędkościach,
zmieniając właściwości cieczy także obserwował inne wartości prędkości przy których
występował ruch laminarny. Na tej podstawie zdefiniował pewną bezwymiarową liczbę, która
określa stosunek sił bezwładności do sił lepkości i od jego nazwiska przyjęła ona miano
liczby Reynoldsa. Dla rurociągu o przekroju kołowym można zapisać:
Fb d2 w2 r w d r
Re = = =
Fh w d h h
Reynolds stwierdził, że ruch laminarny występuje w zakresie liczb Reynoldsa do wartości
krytycznej wynoszącej:
Rekr = 2300 .
Ruch przejściowy występuje w zakresie: 2300 Ł Re Ł 10000 , a ruch burzliwy dla Re > 10000
Zatem przepływ płynu może być laminarny. Gdy prędkości płynu są małe, wówczas
elementy cieczy poruszają się po liniach (torach) prostych równoległych do osi rurociągu. Nie
pojawiają się zmiany prędkości w kierunku przepływu. Każdy element płynu pozostaje w
obrębie danej warstewki i w przekroju poprzecznym nie zmienia swego położenia względem
innych elementów płynu.
Foto
4
A
Wr
A
Dla dużych prędkości płynu występuje przepływ burzliwy (turbulentny), występują
gradienty prędkości nie tylko w kierunku przepływu, ale również
w kierunku prostopadłym i we wszystkich innych.
Foto
A
W
r
A
Zaznaczone wektory należy traktować jako wartości średnie dla danego promienia r.
Dla przepływu laminarnego (uwarstwionego) rozpatrzmy rozkład ciśnień
i naprężeń ścinających na pewnym elemencie cieczy w kształcie walca, który płynie
w rurze o przekroju kołowym. Aby wystąpił przepływ ciśnienie p1 musi być różne od
ciśnienia p2. Jeśli ruch elementu cieczy jest jednostajny, to występuje równowaga siły
związanej z różnicą ciśnień i hamującej siły będącej konsekwencją występowania lepkości.
Można to zapisać zależnością:
t 2p r L = (p1 - p2 )p r2
dwr
- h 2p r L = (p1 - p2)p r2
dr
dwr (p1 - p2 ) r
= -
dr L h 2
po scałkowaniu dla warunku granicznego: dla r = R, wr = 0
5
wr r
(p1 - p2 ) r
dr
r
dw = -
L h 2
0 R
uzyskuje się zależność:
2
ł
R2 Dp r
ć
wr =

ę1- ś
4h L R
Ł ł
ę ś

Wzór ten opisuje prędkość lokalną w rurze o przekroju kołowym dla ruchu laminarnego i
może służyć do wyznaczenia prędkości lokalnej w funkcji promienia czyli tak zwanego
profilu prędkości w rurze. Analizując matematycznie tę zależność widać, że profil prędkości
w ruchu laminarnym jest paraboliczny.
Aby obliczyć strumień objętości płynu w rurociągu podczas przepływu laminarnego
należy połączyć ostatnią zależność i równanie opisujące cały strumień, co prowadzi do
równości:
p R4 Dp
&
V =
8 h L
znanej pod nazwą równania Hegena  Poisuille a.
Na podstawie równania wyprowadzonego powyżej można wyznaczyć trzy ważne
wielkości, tj. prędkość średnią płynu w rurociągu, prędkość maksymalną w osi rury i
prędkość na ścianie rurociągu:
&
V R2 Dp
wśr = =
A 8h L
dla r = 0 czyli w osi rury:
R2 Dp
wmax =
4 h L
dla r = R czyli na ścianie rury:
wR = 0
Z porównania wzorów można wyciągnąć jeszcze jeden wniosek, otóż stosunek prędkości
średniej do prędkości maksymalnej:
wśr
= 0,5
wmax
a ponadto można wykazać, że:
2
ł
r
wr = wmax ę1- ć ś .

R
Ł ł
ę ś

Równanie ciągłości przepływu
Jeśli wyobrazimy sobie rurociąg, nawet o zmiennej średnicy, przez który płynie płyn,
to ta ilość płynu, który wpływa na początku musi być identyczna z ta ilością płynu, która
wypływa na końcu. Ilościowo można to ująć równaniem ciągłości przepływu, które mówi, że
strumień masy wzdłuż rurociągu nie zmienia się:
& &
m1 = m2
A1 w1 r1 = A2 w2 r2
Dla cieczy to samo równanie można zapisać w postaci:
A1 w1 = A2 w2
& &
lub V1 = V2 ,
co słowami wyraża się: wzdłuż rurociągu strumień objętości nie ulega zmianie.
6
Równanie Bernoulliego
Jeżeli w pewnym przewodzie zmierzymy wartość ciśnienia statycznego i
dynamicznego w miejscu przewężenia, jak i w miejscu nie przewężonego przekroju,
otrzymamy zależność mówiącą, że suma ciśnień statycznego i dynamicznego z jednego
miejsca pomiaru (np. z miejsca przewężenia), będzie równa sumie ciśnień w miejscu nie
przewężonym. Możemy wtedy napisać równanie:
pdynamiczne + pstatyczne= pdynamiczne' + pstatyczne' = const
Oznacza to, że energia ta nie zmienia się i stanowi w obu przypadkach taką samą wartość.
Prawo Bernoulliego mówi, że każdemu zwiększeniu się prędkości, a co za tym idzie ciśnienia
dynamicznego, musi automatycznie towarzyszyć zmniejszenie się ciśnienia statycznego i na
odwrót, przy każdym zmniejszeniu prędkości i ciśnienia dynamicznego, rośnie ciśnienie
statyczne.
Jeśli w wybranej strudze płynu o zmiennym przekroju (zmiennej prędkości) i
zmiennej wysokości położenia w polu sił grawitacyjnych sporządzić bilans energii, to
równanie Bernoulliego zapisze się w postaci:
w2 p
+ + h g = const
2 r
Zatem równanie Bernoulliego stanowi matematyczny zapis niezniszczalności energii w ruchu
ustalonym płynu doskonałego.
w2
- oznacza energię kinetyczną płynu, [J/kg],
2
p
- oznacza energię statyczną ciśnienia, [J/kg],
r
h g - oznacza energię potencjalną położenia, [J/kg].
To samo równanie można zapisać w postaci sumy ciśnień [Pa] i wówczas przybierze
ono postać:
w2 r
+ p + r g h = const
2
lub jako sumę członów o wymiarze wysokości [m]
w2 p
+ + h = const
2 g r g
7
Zastosowania równania Bernoulliego
Jeśli przez rurociąg o zmiennym przekroju (jak na rysunku) płynie ciecz, to w
przekroju mniejszym wskutek wzrosty prędkości maleje ciśnienie, co widać obserwując
poziom cieczy w rurkach spiętrzających.
1. Pomiar średniej prędkości płynu za pomocą kryzy pomiarowej.
Równanie Bernoulliego dla płynu doskonałego dla przekrojów 1 i 2 można zapisać
w postaci:
2
w1 r w2 r
2
p1 + r g h1 + = p2 + r g h2 +
2 2
Rurociąg jest poziomy i gęstość cieczy jest stała, zatem:
8
1
o
2
D
D
D
2
p1 - p2 w2 - w1
2
=
r 2
Zgodnie z równaniem ciągłości:
A2
w1 = w2
A1
A0 A2
Nazwijmy stosunek = m współczynnikiem rozwarcia kryzy, a stosunek = m
A1 A0
współczynnikiem przewężenia strumienia (współczynnikiem kontrakcji), wówczas równanie
ciągłości ma postać:
w1 = w2 m m
Po wstawieniu ostatniej zależności do równania Bernoulliego otrzyma się:
p1 - p2 w2 - w2 m2 m2
2 2
= , a stąd:
r 2
1 2 (p1 - p2)
w2 =
r
1- m2 m2
Wykorzystując równanie ciągłości znajduje się prędkość cieczy w otworze kryzy
A2
w0 = w2 = w2 m , zatem:
A0
m 2 (p1 - p2) 2 Dp
w0 = = a
r r
1- m2 m2
gdzie współczynnik a nazywamy współczynnikiem przepływu. Należy zauważyć, że nie jest
on wartością stałą, a zależy od stopnia rozwarcia kryzy oraz od współczynnika przewężenia
strumienia, tj. od burzliwości przepływającej cieczy.
Strumień masy cieczy, który mierzy kryza pomiarowa, oblicza się zatem z zależności:
2 Dp
&
m = A0 w0 r = a A0
r
znając doświadczalną wartość Dp .
2. Rotametry
9
Umieszczenie pływaka w rurce stożkowej powoduje, że w czasie przepływu płynu
pływak utrzymuje się na pewnej wysokości w zależności od wielkości strumienia płynu.
Prędkość liniową płynu w przekroju pierścieniowym pomiędzy pływakiem a ścianą stożkowej
rury rotametru "w" można obliczyć z równania, które wynika oczywiście z równania
Bernoulliego i porównania sił działających na pływak:
2 g Vp (rp - r)
w = yr
Ap r
Położenie pływaka można obliczyć znając geometrię rury lub można je określić na
drodze doświadczalnej dla różnych strumieni objętości.
3. Pomiar prędkości za pomocą rurki Prandtla
Pomiar lokalnej prędkości przepływu w rurociągu za pomocą Rurki Prandtla
2 Dp
wr =
r
Różnicę ciśnienia całkowitego i ciśnienia statycznego, tj. ciśnienia dynamicznego
mierzy się za pomocą mikromanometrów.
10
D
h
D
h
4. Wypływ cieczy ze zbiorników
1,A1,w1 p1=patm
0,A0,w0
2,A2,w2 p2=patm
Jeśli w dnie otwartego zbiornika, w którym utrzymywany jest stały poziom cieczy otworzyć
otwór, to równanie Bernoulliego można zapisać w postaci:
2
w1 r w2 r
2
p1 + r g h1 + = p2 + r g h2 + + Dpstrat
2 2
Jeśli przyjąć, że: Dpstrat 0 oraz, że h1 - h2 = H , to:
w = 2 g H
2
A2
Pamiętając, że stosunek = m (współczynnik kontrakcji) oraz uwzględniając straty
A0
ciśnienia za pomocą pewnego współczynnika, można napisać, że strumień objętości cieczy
wypływającej z otworu wynosi:
Vrzecz = j A0 2 g H
Współczynnik j nazywany jest współczynnikiem wypływu i jego wartość zależy od kształtu
końcówki wypływowej.
11
H
~H
5. Opróżnianie zbiorników
A
dh
0,A0,w0
W różniczkowym czasie dt poziom lustra cieczy obniża się o wartość dh . Objętość tej
cieczy wypływa przez otwór w dnie, zatem:
- A dh = A0 w0dt
- A dh = A0 j 2 g hdt
Po rozdzieleniu zmiennych i scałkowaniu w granicach 0 t oraz H H = 0 otrzyma się
zależność:
H
1 A(h)dh
t =

A0 j 2 g H=0 h
Jeśli pole powierzchni lustra ciecz jest stałe na każdej wysokości, to całkowity czas
opróżniania zbiornika można wyliczyć z zależności:
A 2
t = H ,
A0
j 2 g
natomiast czas opróżniania do pewnej wysokości H1 z zależności:
A 2
t = ( H - H1)
A0
j 2 g
12
H
h


Wyszukiwarka