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 Å›rednicy 1 ¸ 5 mm
i długości 1 mm) pod wpływem temperatury. Rezystancję włókna można zmierzyć za
pomocą mostka Wheatstoneła 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. Urządzenia laboratoryjne do badań 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,
- poddźwiÄ™kowe: Ma = 0,3 ¸ 0,8,
- okoÅ‚odźwiÄ™kowe: Ma = 0,8 ¸ 1,5,
- naddźwiÄ™kowe: 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 siÄ™ za pomocÄ… dyfuzorów o kÄ…cie rozwarcia nie wiÄ™kszym 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: dÅ‚ugość 250 ¸ 400 m, dÅ‚ugość modelu 5 ¸ 7 m, prÄ™dkość
modelu 5 ¸ 7 ,
- baseny wodne Å›rednie: dÅ‚ugość 100 ¸ 200 m, dÅ‚ugość modelu 5 ¸ 7 m, prÄ™dkość
modelu 5 ¸ 7 ,
- baseny wodne maÅ‚e: dÅ‚ugość do 90 m, dÅ‚ugość modelu 3 ¸ 5 m, prÄ™dkość 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
urzÄ…dzenia pomocnicze:
1 - urzÄ…dzenie do wytwarzania falowania,
2 - filtry siatkowe,
3 - samobieżną suwnicę holowniczą z aparaturą pomiarową i pulpitem
operatorskim, przeznaczonÄ… do sterowania ruchem modelu statku,
4 - wózek jezdny suwnicy,
5 - urządzenie tłumiące falowanie.
Rys. 11.16
Kanały 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 przepływów . 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
urzÄ…dzeniach wodociÄ…gowych 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
Darcyłego (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 s 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
współczynnikiem filtracji np. dla piasku drobnoziarnistego, dla piasku
gruboziarnistego. Jednak współczynnik k wyraża się zwykle przy wykorzystaniu
zależności
Wyszukiwarka
Podobne podstrony:
rozdz11 3Rozdz12fotogrametria rozdz1ROZDZ12rozdz19 (2)Rozdz13Anteny terminalowe rozdz1 i 2rozdz12 (2)rozdz1ROZDZ1ROZDZ1Rozdz11Rozdz1ROZDZ10A (2)więcej podobnych podstron