Część 1.Wyznaczenie krytycznej liczby Reynoldsa, przy której następuje przejście z ruchu laminarnego w turbulentny.

Wstęp teoretyczny

W przewodach i w bocznicach kopalnianej sieci wentylacyjnej, mogą zachodzić dwa rodzaje przepływów powietrza: laminarny i turbulentny.

Przepływ laminarny odbywa się warstwowo, przy czym oddzielne warstwy powietrza przesuwają się równolegle do osi przewodu nie mieszając się między sobą. Ze względu na lepkość największa prędkość przepływu jest odnotowana w środku wyrobiska. W kopalniach przepływ laminarny może zachodzić w szczelinach górotworu, otamowanych zrobach i polach pożarowych, podsadzce suchej itp.

W przepływie turbulentnym elementy płynu poruszają się w sposób nieuporządkowany i po bardzo zawiłych torach, wskutek czego powstają ciągłe chaotyczne zaburzenia przepływu.

Dla stwierdzenia, z jakim przepływem mamy do czynienia wyznacza się liczbę Reynoldsa:

(1)

gdzie:

- prędkość średnia powietrza, m/s,

- średnica ekwiwalentna (zastępcza, równoważna) wyrobiska górniczego, przy czym

(2)

- lepkość kinematyczna powietrza kopalnianego; = 15⋅10­^-6 m²/s,

A - pole przekroju poprzecznego wyrobiska, m²,

B - obwód wyrobiska, m.

W praktyce rozróżnia się pierwszą (dolną) krytyczną liczbę Reynoldsa Re_kr1 (charakteryzuje utratę stateczności laminarnego przepływu powietrza, dla wyrobisk górniczych Re_kr1 = 1000÷1500 ) i drugą (górną) liczbę Reynoldsa Re_kr2 (po przekroczeniu której występuje statecznie burzliwy przepływ powietrza, Re_kr2=50000÷80000). Przy przepływie powietrza przez długi gładki przewód kołowy krytyczna liczba Reynoldsa wynosi ok 2300.

Liczba oporu, a co za tym idzie, dyssypacja energii, jest zależna od liczby Reynoldsa i chropowatości względnej przewodu. W przedziale liczb Re odpowiadającym przepływowi laminarnemu nie zależy od chropowatości ścian wyrobiska, dyssypacja energii jest wtedy liniowo zależna od prędkości przepływu powietrza.. W przypadku przewodów chropowatych dla liczb Re z przedziału od około 4000 (przy dużych ) do około 630000 (przy małych) zależy od i Re. Dla wyższych Re nie zależy od Re, dyssypacja energii jest proporcjonalna do przepływu w drugiej potędze.

Przepływy dzielą się ponadto na stacjonarne (niezależące od czasu) i niestacjonarne (zależne od czasu)

Przebieg ćwiczenia

W przekroju II (D=292mm) umieszczono rurkę dymną i powoli zwiększano prędkość przepływu powietrza, za pomocą termoanemometru zmierzono prędkość w przekroju I (D=100mm), przy której w strużce dymu w przekroju II pojawiają się turbulencje, co oznaczało przekroczenie krytycznej liczby Reynoldsa..

Dane techniczne stanowiska pomiarowego:

Rys. 1. Schemat stanowiska

Dane techniczne stosowanych przyrządów

Wyniki pomiarów

Pomiar prędkości wykonano 3 razy:

stąd: w_{msr_I} =1,6m/s

Tok obliczeń

lgRe=4,028

w_{n_I}/w_{max_I} =0,78

w_{n_I} =0,78w_{max_I} =1,248m/s

Dyskusja błędów i wnioski

Chwila przejścia z ruchu laminarnego laminarnego w turbulentny była wyznaczana na podstawie subiektywnej oceny dymu, co obarcza pomiar błędem - otrzymany wynik był wyższy od teoretycznej wartości krytycznej liczby Reynoldsa (Re_kr=2300). Prawdopodobnie turbulencje pojawiły się w strużce dymu już wcześniej, jednak były one na tyle małe, że nie zostały zauważone.

Część II. Wyznaczenie rozkładu prędkości w przekroju poprzecznym rury o średnicy 292

Wstęp teoretyczny

Rozkład prędkości w ruchu laminarnym stanowi paraboloidę, co spowodowane jest charakterem tego przepływu - tarcie między ściankami przewodu a warstwą powietrza płynącą najbliżej ścianki powoduje jej hamowanie, a ta z kolei wskutek lepkości hamuje dalej położone warstwy. W ruchu turbulentnym górę nad siłami lepkości biorą siły bezwładności, profil prędkości ulega spłaszczeniu. Początkowo w pobliżu ścianek przewodu występuje warstwa laminarna, w której występują duże różnice prędkości. Grubość tej warstwy w miarę wzrostu liczby Reynoldsa zmniejsza się, by całkowicie zaniknąć przy w pełni rozwiniętym przepływie turbulentnym.

Przebieg ćwiczenia

Zmierzono prędkość przepływu powietrza w 15 punktach, poczynając od środka przekroju, kończąc na brzegu rury.

Dane techniczne stanowiska pomiarowego

Rys. 2. Schemat stanowiska do badania profilów prędkości powietrza

Dane techniczne przyrządów

Wyniki pomiarów

Tabela nr 1. Wyniki pomiarów cz. II

Wnioski i dyskusja błędów

Najwyższą prędkość odnotowano w środku przekroju, jednak różnice prędkości w różnych punktach nie są zbyt duże, gdyż przepływ ma charakter turbulentny. Pomierzone prędkości często powtarzają się, następnie następuje skok prędkości - jest to spowodowane niską dokładnością urządzenia, w rzeczywistości przejścia między różnymi prędkościami (dla ruchu turbulentnego - średnimi) są ciągłe.

Część III. Wyznaczenie depresji naturalnej w oczku sieci wentylacyjnej

Wstęp teoretyczny

Depresja naturalna jest to praca wszystkich czynników naturalnych (takich jak zmiany cieplne w prądzie powietrza, zmiana jego składu, działanie wiatru w atmosferze zewnętrznej, porywanie cząstek powietrza przez spadającą wodę) odniesiona do 1kg lub 1m³ powietrza. Największe znaczenie ma depresja cieplna - powstająca wskutek zmian cieplnych w powietrzu kopalnianych.

Dane techniczne stanowiska pomiarowego.

Rys. 3. Schemat stanowiska pomiarowego

Dane techniczne stosowanych przyrządów

A.Wyznaczenie depresji naturalnej metodą pomiaru wydatku przy zatrzymanym wentylatorze

Najpierw obliczono się opór sieci wentylacyjnej - włączono wentylator, zmierzono strumień powietrza przepływający przez sieć wentylacyjną i spiętrzenie wentylatora, na podstawie których wyznaczono opór sieci. Następnie wyłączono wentylator i włączono grzałkę; po ustabilizowaniu się temperatury wyznaczono strumień objętości powietrza wywołany działaniem depresji naturalnej.

Wyniki pomiarów:

Po włączeniu grzałki:

Tok obliczeń

lgRe=4,857

w_n /w_max =0,83

w_n =0,83w_max =3,071m/s

Re=9730

lgRe=3,99

w_sr/w_max=0,78

w_sr=0,39 [m/s]

B.Wyznaczenie depresji naturalnej Metodą W. Budryka

Po ustabilizowaniu się temperatury powietrza w kilku punktach zmierzono temperaturę powietrza i jego podciśnienie w stosunku do otoczenia, zmierzono również parametry powietrza wlotowego: temperaturę na termometrze suchym, wilgotnym i ciśnienie statyczne bezwzględne. Wyznaczono gęstość powietrza dla wszystkich punktów, wyniki naniesiono na wykres p=f( 1/ρ). Wielkość pola otrzymanej figury jest miarą depresji naturalnej.

Wyniki pomiarów:

Tabela nr 2. Wyniki pomiarów cz. 3B

T_s w laboratorium: 27°C

T_w w laboratorium: 17,1 °C

Ciśnienie w laboratorium: 748,9 Tr = 98778,57 Pa

Tok obliczeń:

Tabela nr 3. Wyniki obliczeń cz. 3B

Wykres 1. Zależność p=f( 1/ρ).

Pole figury zaznaczonej na wykresie obliczono za pomocą programu AutoCAD, wynosi ono 0,4557, stąd h=0,456 Pa

C. Wyznaczenie depresji naturalnej metodą bezpośrednią

Pomierzono różnicę ciśnień na szczelnej tamie (7-8) zatrzymującej w sieci przepływ powietrza wywołany działaniem depresji naturalnej.

Wyniki pomiarów

Tok obliczeń

D. Obliczenie depresji naturalnej metodą zredukowanego przepływu

Dokonano pomiaru strumieni objętości powietrza (za pomocą termoanemometru umieszczonego w środku rurociągu) oraz spiętrzenia wentylatora przy zasuwie całkowicie zamkniętej i częściowo zamkniętej.

Wyniki pomiarów

Tabela nr 4. Wyniki pomiarów w cz 3D

Tok obliczeń

Tabela nr 5. Obliczenia cz 3D

h=1,238 [Pa]