GRUPA I

1. PODZIAŁ I KLASYFIKACJA SIŁ WYSTĘPUJĄCYCH W CIECZACH GAZACH.

Siły działające w płynach.

Zasadniczy podział tych sił to podział na siły:

• masowe (objętościowe),

• powierzchniowe.

Masowe działają na każdy element płynu i są proporcjonalne do masy elementu. Formalnie mogą być zewnętrzne i wewnętrzne, ale pole zewnętrzne indukuje w płynie analogiczne pole wewnętrzne.

Siły masowe dzielimy na:

1. siły ciężkości związane z polem grawitacyjnym

2. siły bezwładności d'Alamberta w nieinercjalnym układzie odniesienia (np. ciecz w zbiorniku nieruchoma, a zbiornik porusza się ruchem niestacjonarnym)

3. siły elektromagnetyczne

Wymienione powyżej siły są to siły zewnętrzne.

Siły masowe wewnętrzne to siły bezwładności, wynikające z ruchu niestacjonarnego cieczy.

Siły powierzchniowe:

To siły działające na wyodrębnioną powierzchnię S, po obu stronach tej powierzchni. Z zasady jest to powierzchnia styku płynu i powierzchni ciała stałego. Może być też tzw. powierzchnia kontrolna wyodrębniająca określoną objętość elementu płynu z całości, a także powierzchnia rozdziału dwu nie mieszających się cieczy (np. powierzchnia swobodna )

Do tych sił zaliczamy:

− siły ciśnienia

− siły styczne wywołane tarciem w samym płynie lub płynu o ściany sztywne

− napór cieczy na ściany

− siły hydrodynamiczne będące wynikiem ruchu ciała stałego w płynie (siła nośna na skrzydłach samolotu)

2. RÓWNANIE CIĄGŁOŚCI, INTERPRETACJA, POSTAĆ TEGO RÓWNANIA DLA PRZEPŁYWU JEDNOWYMIAROWEGO.

Interpretacja.

Pole prędkości ma ścisły związek z gęstością płynu (dla ośrodka ciągłego). Związki matematyczne, które łączą te wielkości noszą nazwę równania ciągłości. Musi być ono spełnione zawsze, niezależnie czy rozpatrujemy dynamikę czy hydrostatykę. Równanie to wyraża zasadę zachowania masy, tzn., że w zamkniętym układzie fizycznym masa czynnika nie może ani powstać ani zniknąć (anihilacja?), poza tym nie ma przerw w obszarze w przestrzeni gdzie rozpatrujemy przepływ. W praktyce, te warunki nie zawsze są spełnione np. kawitacja, przepływy z osobliwościami, przepływy gdzie zachodzą reakcje chemiczne.

Postać tego równania dla przepływu jednowymiarowego.

Równanie ciągłości ma bardzo istotne zastosowanie praktyczne w analizie przepływów jednowymiarowych (np. rurociągi). Dla przepływu jednowymiarowego w kierunku np. s pole przekroju A zmienia się wraz z zmienną s. Gęstość jest funkcją czasu t i zmiennej s: ρ=ρ(t,s).

Pochodna gęstości po czasie ma postać:

Dla przepływu jednokierunkowego można więc zapisać:

3. POWIERZCHNIA EKWIPOTENCJALNA, POSTAĆ RÓWNANIA, PRZYKŁAD WYSTĘPOWANIA.

Powierzchnia ekwipotencjalna.

Przykładem takiej powierzchni jest powierzchnia swobodna zbiorników wodnych, powierzchnia rozdziału dwu nie mieszających się cieczy o różnych gęstościach. Równanie powierzchni ekwipotencjalnej ma postać:

Powyższa zależność wynika z warunku U=const, a stąd dU=0. Z ostatniego równania wynika również, że siły masowe to wektory prostopadłe do powierzchni ekwipotencjalnej.

W ziemskim polu grawitacyjnym zachodzą warunki: q_x = q_y = 0 oraz:

gdzie:

g - przyśpieszenie ziemskie.

Znak minus wynika z przyjętego układu osi współrzędnych; oś z skierowana pionowo w górę, a przyśpieszenie ziemskie działa w kierunku przeciwnym (do powierzchni ziemi).

4. RÓWNANIE BERNOULLIEGO DLA CIECZY IDEALNEJ, INTERPRETACJA.

Równanie Bernoulliego może być zapisane w trzech równoważnych sobie postaciach. Wszystkie one wyrażają ta samą zasadę zachowania energii, ale ta energia wyrażona jest w różnych jednostkach: m²s^-2; kg.s^-2m^-1 (Pa); m.

Jest to suma różnych rodzajów energii (na jednostkę masy) poruszającego się płynu. Można to też powiedzieć, że RB wyraża zasadę zachowania energii w odniesieniu do cieczy idealnych, ruch ustalony, występują tylko siły ciężkości.

Interpretacja graficzna; analizujemy strugę cieczy w rurociągu, traktując ten przepływ jako jednowymiarowy, a prędkość strugi w rurociągu jest ustalona i równa prędkości średniej.

linia energii

Stosując równanie Bernoulliego dla przepływu przedstawionego powyżej otrzymujemy:

gdzie: H jest miarą energii całkowitej.

5. ZASADA OKREŚLANIA STRAT W PRZEPŁYWIE PRZEZ PRZEWODY OSIOWO SYMETRYCZNE.

Straty na długości przewodu

Z prawo Hagena - Poiseuille'a

w jednostkach ciśnienia straty wyniosą:

λ - współczynnik strat na tarcie dla ruchu laminarnego

λ = 64/Re

λ - dla innych przepływów - turbulentnych wyznacza się doświadczalnie lub zakładając określony model turbulencji.

λ = f(Re, kształtu, stanu powierzchni )

Straty dzielą się na straty w przewodach (liniowe, lepkości) i straty lokalne. Wielkość strat lokalnych określa zależność:

gdzie: ζ - współczynnik strat lokalnych, miejscowych.

Określa się go na podstawie badań lub w oparciu o analizę przepływu nielepkiego. Straty lokalne związane są z zmianą geometrii przewodu (rozszerzenie, przewężenie), kierunku przepływu (kolanka), zaburzeniami związanymi z armaturą (zawory, kryzy, zasuwy), rozgałęzienia przewodów, itp.

6. LICZBA FROUDE'A, ZNACZENIE I PRZYKŁAD WYKORZYSTANIA.

Liczba Froudea - stosunek lokalnej siły bezwładności do siły ciężkości

• Liczba Freude'a (Fn), dla zjawisk ruchu cieczy w ziemskim polu grawitacyjnym, gdy występuje powierzchnia swobodna.

Liczby te muszą mieć taką samą wartość dla warunków badań modelowych i obiektu rzeczywistego.

Jej nazwa pochodzi od Williama Froude'a. Intuicyjnie, liczna Frouda określa stosunek energi kinetycznej cieczy do energii potencjalnej potrzebnej do odchylenia (wymuszenia) przepływającej cieczy.

7. OPÓR RUCHU CIAŁA, PODZIAŁ, POSTAĆ WSPÓŁCZYNNIKA OPORU.

Postać współczynnika oporu - współczynnik oporu całkowitego modelu C_Tm:

GRUPA II

1. KIEDY I W JAKICH WARUNKACH WYSTĘPUJĄ SIŁY POWIERZCHNIOWE STYCZNE?

Siły powierzchniowe wywołują na danej powierzchni stan naprężeń. Ogólnie jest to pole

tensorowe. Wielkość naprężeń zależy nie tylko od położenia punktu, ale także od orientacji

powierzchni w przestrzeni. Stosunek elementarnej siły powierzchniowej do elementarnej

powierzchni, gdy ta ostatnia zdąża do zera definiuje nam naprężenia powierzchniowe τn :

n, t wersory normalne i styczne do elementu powierzchni dA

τnn - naprężenia normalne do powierzchni

τnt - naprężenia styczne do powierzchni

Siły powierzchniowe występują zawsze niezależnie od tego czy ciecz jest lepka czy nie, w

spoczynku, czy w ruchu. Siły powierzchniowe styczne nie występują w cieczach idealnych.

Przy założeniu cieczy rzeczywistych musi być spełniony dodatkowy warunek: ciecz musi być

w ruchu.

2. DANE JEST RÓWNANIE W POSTACI WEKTOROWEJ:

CO PRZEDSTAWIA, INTERPRETACJA.

Jest to równanie Naviera-Stokesa

Wyrażenie po lewej stronie przedstawia sumę pochodnej lokalnej i konwekcyjnej. Ostatni człon po prawej stronie równania (5) odnosi się do przepływów płynów ściśliwych.

Dla płynów nieściśliwych, divV =0 i człon ten jest równy zero. Równanie N-S jest bilansem

sił działających w cieczach rzeczywistych. W analizie przepływu cieczy rzeczywistych,

przyjmuje się z zasady, że siły masowe są znane. Wobec tego w układzie równań (4)

występują cztery niewiadome: 3 składowe pola prędkości i ciśnienie. Równaniem

zamykającym ten układ równań jest znane równanie ciągłości w postaci:

3. ZASADY OKREŚLANIA NAPORU NA ŚCIANY PŁASKIE, POCHYLONE. PODAĆ PUNKT PRZYŁOŻENIA WYPADKOWEJ SIŁY NAPORU.

Kierunek działania siły naporu N, jest zawsze prostopadły do powierzchni.

Problem istotny - obciążenie ścian zbiorników, budowli wodnych.

Napór-parcie to siła powierzchniowa jaką wywiera ciecz w stanie spoczynku na dowolnie

zorientowaną w przestrzeni powierzchnię. Rozpatrujemy tylko siłę normalną (stycznej nie ma, bo ciecz jest nieruchoma). Elementarna

sił naporu dN na element powierzchni dA wynosi:

d N =npdA =nγzdA

gdzie: n - wersor jednostkowy, prostopadły do elemantu powierzchni.

jeśli ciśnienie na zewnątrz jest równe pb to elementarny napór wynosi (przy pominięciu w

dalszych rozważaniach zapisu wektorowego)

dN =(p b+ρg ⋅z )dA

lub bez uwzględnienia ciśnienia atmosferycznego:

dN =ρg ⋅zdA

Napór całkowity na powierzchni A wynosi:

N =ρg∫zdA

Całka w powyższym wyrażeniu określa moment statyczny powierzchni A, względem osi

leżącej na powierzchni wody. Można ją zastąpić iloczynem pola powierzchni i odległością

środka geometrycznego tej powierzchni od płaszczyzny wody:

∫zdA z A s

Uwzględniając powyższe można napisać, że napór (bez uwzględnienia ciśnienia

atmosferycznego) wynosi:

N =ρgz_s A.

Napór równy jest więc ciężarowi słupa cieczy, którego podstawą jest dana ścian a wysokość

głębokości środka geometrycznego od zwierciadła cieczy.

Pozostaje problem punktu przyłożenia siły naporu. Punkt ten nosi nazwę środka naporu.

Wychodzimy z momentu sił elementarnych i wypadkowej względem osi X, które muszą być

sobie równe.

4. PRZYKŁAD ZASTOSOWANIA RÓWNANIA BERNOULIEGO DO POMIARU PRĘDKOŚCI LOKALNEJ.

Wykorzystując RB można zagadnienie pomiaru prędkości sprowadzić do pomiaru

ciśnienia statycznego lub ciśnienia spiętrzenia.

Pomiar ciśnienia spiętrzenia - rurka Pitota i Prandtla.

Pomiar ciśnienia statycznego - zwężka Venturiego, kryzy pomiarowe.

Rurka Pitota

Jest to bardzo prosty przyrząd do pomiaru prędkości miejscowej opartej na pomiarze

ciśnienia całkowitego.

Rurka Prandtla

W przestrzeni zamkniętej mamy 2 niewiadome V i p0

Tę niedogodność usuwa rurka Prandtla. Przy zastosowaniu rurki Prandtla mierzymy ciśnienie,

które jest różnicą pomiędzy ciśnieniem statycznym i całkowitym, czyli równe ciśnieniu

dynamicznemu.

p_stat jest różne od ciśnienia w u-rurce

Zwężka Venturiego

Zwężka Venturiego służy do pomiaru prędkości średniej (wydatku) w przewodzie, a

także prędkości strumienia swobodnego. Na poziomym odcinku przewodu montujemy

przewężenie przekroju. Na tym przewężeniu powstaje spadek ciśnienia, który jest miara

prędkości średniej w przewodzie.

5. RÓWNANIE BERNOULIEGO DLA CIECZY RZECZYWISTEJ, INTERPRETACJA, PRZYKŁADY WYKORZYSTANIA p.

Siła oporu przeciwstawiająca się przemieszczaniu dwu płaszczyzn, to siła tarcia → siła

odniesiona do jednostki powierzchni daje naprężenie styczne.

Jeśli ciecz lepka płynie rurociągiem narastają straty przepływu wynikające z

konieczności pokonania sił stycznych. Tracona jest energia, czyli może spadać v, pęd. Tak nie

jest. Prędkość utrzymuje się stała, kosztem spadku ciśnienia. W rurociągu nie spada

prędkość (prawa ciągłości), a ciśnienie.

6. LICZBA REYNOLDSA. POSTAĆ, INTERPRETACJA, ZNACZENIE W MECHANICE PŁYNÓW

Liczba Reynoldsa. - wyraża stosunek lokalnej siły bezwładności do sił tarcia lepkiego.

• Liczba Reynoldsa (Rn), dla zjawisk będących wynikiem lepkości cieczy:

Rodzaje przepływów lepkich

Doświadczenie Reynoldsa

Re = dv/ ν

to doświadczenie doprowadziło do podziału, klasyfikacji przepływów lepkich na przepływy:

laminarne, turbulentne

W przepływie turbulentnym cząsteczka cieczy posiada pulsacje prędkości. W zasadzie jest to

zawsze przepływ 3D. Z turbulencją związana jest tzw. lepkość turbulentna.

Liczba Reynoldsa przy której zachodzi zmiana rodzaju ruchu nosi nazwę liczby krytycznej

Re kr. Nie jest to wartość absolutna (ścisła).

Szereg czynników ubocznych ma wpływ na jej wartość:

- wlot do przewodu

- chropowatość rury, miejscowe nierówności, drgania, zanieczyszczenia cieczy itp.

Często mówimy o dolnej i górnej liczbie Reynoldsa.

<Re kr d - wartość, poniżej której nie udało się obserwować ruchu burzliwego jako trwałego.

Re kr d=2300÷2400

<Re kr g → nie ma mowy o przepływie laminarnym

Generalnie przejście z laminarnego w turbulentny - przy większej liczbie Reynoldsa. Z

turbulentnego w laminarny przy mniejszej liczbie Reynoldsa Re kr d.

Re kr g≈50000, 2300≤Re≤50000 - przepływy niestateczne .

W normalnych warunkach przepływy turbulentne są przepływami dominującymi. Tylko w

szczególnych przypadkach możemy mówić o przepływach laminarnych. Występują one przy

bardzo małych prędkościach i obszarach przepływu (np. szczeliny, łożyska ślizgowe, itp.).

Szczegółowa analiza pola prędkości w pobliżu ścianki wykazała, że rzeczywisty przepływ

składa się z podwarstwy laminarnej (gdzie jest słuszny model cieczy newtonowskiej),

warstwy przejściowej i rdzenia turbulentnego. W takim modelu o stratach decyduje przede

wszystkim tzw. lepkość turbulentna, która jest wielokrotnie większa od lepkości przepływu

laminarnego.

7. PRĘDKOŚĆ I SIŁY NA PROFILU Ρ.

Przy ruchu ciała w płynie lepkim, na ciało działać będzie siła, która posiada składową prostopadłą do kierunku wektora prędkości

Składową prostopadła Pz nazywamy siłą wyporu hydrodynamicznego lub siłą nośną.

Składowa równoległa Px jest siła oporu. Siła wypadkowa P jest reakcją hydrodynamiczną.

Siła oporu Px jest wynikiem różnicy ciśnień wokół opływanego ciała (opór ciśnienia) i

naprężeń stycznych na opływanym ciele (opór tarcia):

Px =Pxn+Px τ

Jeśli ciało jest tylko częściowo zanurzone, to w czasie jego ruchu na powierzchni swobodnej

powstaje układ fal. Z tym układem fal związany jest opór falowy. Ten składnik oporu ma

istotne znaczenie w obliczaniu oporu pływania statku.

Opór ciała przedstawia się za pomocą bezwymiarowego współczynnika oporu c x :

gdzie:

S - powierzchnia odniesienia

W wielu zastosowaniach technicznych (samoloty, maszyny hydrauliczne, okręty), elementy

ciał, które wykonują ruch w cieczy są odpowiednio kształtowane. To ukształtowanie ma na

celu uzyskanie maksymalnej wartości siły nośnej, przy minimalizacji siły oporu. Ciała te

nazywamy płatami nośnymi. O ich właściwościach hydrodynamicznych, decyduje kształt

przekroju poprzecznego płata czyli profil.

Podstawowe parametry geometryczne płata i profilu przedstawia rys.

GRUPA III

1. MODELE CIECZY RZECZYWISTYCH, CIECZE NEWTONOWSKIE I NIENEWTONOWSKIE

Lepkość będziemy kojarzyć z zjawiskiem oporu jaki stawia element płynu, który chcemy odkształcić. To odkształcenie jest wynikiem zmian prędkości w

przekroju przepływającej cieczy. Wiążemy tu lepkość z zjawiskiem odkształcenia

postaciowego. Odkształcenie postaciowe to zmiana kształtu elementu cieczy.

Z powyższych zależności wynika, że odkształcenie postaciowe Θ elementu płynu jest liniową funkcją prędkości odkształcenia. Wraz z odkształcaniem elementu płynu, pojawiają się naprężenia styczne, przeciwdziałające temu odkształceniu. Newton przyjął, że naprężenia te są proporcjonalne do prędkości odkształcenia:

gdzie:

η- współczynnik proporcjonalności noszący nazwę współczynnika lepkości dynamicznej.

n - kierunek normalny do elementu powierzchni opływanego ciała.

Zgodnie z hipotezą Newtona zachowuje się większość gazów i cieczy (woda, oleje,

powietrze). Są jednak ciecze, które nie wykazują właściwości cieczy newtonowskich. Są to

np. krew, pasty, szlamy, lakiery, smoły. Mówimy wówczas o tzw. cieczach

nienewtonowskich.

Zależność naprężenia stycznego od prędkości odkształceń.

1. Ciecz newtonowska

2. Płyn pseudoplastyczny (zawiesiny koloidalne)

3. Płyny tiksotropowe (elastomery)

Prócz wymienionych wyżej spotyka się modele płynów plastyczno lepkich. Są to płyny które

przy małych naprężeniach zachowują się jak ciała stałe. Najprostszym modelem takiego

płynu jest model Binghama.(krzywa 4 na rysunku). Oddzielne zagadnienie to modele płynów

fizjologicznych. Stworzenie wiarygodnego modelu np. krwi ludzkiej napotyka na olbrzymie

trudności. Model krwi zależy od cech osobowych człowieka i nie daje się opisać jedną

uniwersalną zależnością.

Płyn doskonały(newtonowski) to płyn w którym nie występują naprężenia styczne, tj. lepkość jest zerowa.

2. RÓWNANIE N-S MA POSTAĆ:

PRZY JAKI ZAŁOŻENIACH RÓWNANIE TO BĘDZIE PRZEDSTAWIAŁO MATEMATYCZNĄ POSTAĆ PRAWA PASCALA?

Jeśli założymy, że ciecz jest w spoczynku, tzn. wektor prędkości V=0, otrzymamy

równania hydrostatyki. Równania te w zapisie skalarnym maja postać:

W wielu zagadnieniach technicznych pomija się wpływ sił masowych. Ma to miejsce np. w

hydraulice siłowej, gdzie te siły są pomijalnie małe w stosunku do sił ciśnienia. Lewa strona

układu równań (7), przyjmuje wówczas wartości zerowe. Z otrzymanych równań

różniczkowych wynika, że ciśnienie jest stałe w całym rozpatrywanym obszarze płynu. Jest to treścią znanego PRAWA PASCALA.

3. KRYTERIUM STATECZNOŚCI CIAŁ PŁYWAJĄCYCH CZĘŚCIOWO WYNURZONYCH.

Na ciało prócz siły wyporu W działa siła ciężkości ciała G

Siła wypadkowa

G₁ =G −W - prawo Archimedesa

W =γV G =γ_cV_c

Od wartości G1 zależą warunki pływania:

4. WYPŁYW PRZEZ MAŁY OTWÓR. WSPÓŁCZYNNIKI WYPŁYWU.

Wypływ przez mały otwór w zbiorniku.

Zakładamy, że poziom cieczy w zbiorniku nie ulega zmianie. Mały otwór oznacza, że jego pole jest małe w stosunku do pola powierzchni swobodnej cieczy w zbiorniku. Pozwala to przyjąć, że prędkość cieczy w zbiorniku jest równa 0.

• - mały otwór A₃<<A₁

Pisząc równanie Bernoulliego dla wydzielonej powierzchnią kontrolną strugi otrzymujemy:

przy czym dla przyjętego modelu zachodzi: p₁=p₃=p_b i V₁≈0 i wobec tego otrzymuje się ostatecznie zależność na prędkość wypływu cieczy przez mały otwór.

Otrzymana zależność nosi nazwę wzoru Torricellego.

Zjawiska towarzyszące wypływowi.

W warunkach rzeczywistych przekrój strugi wypływającej nie jest równy przekrojowi otworu, a poza tym rozkład prędkości w strudze nie jest rozkładem jednorodnym. Aby uwzględnić te zmiany wprowadza się dwa współczynniki poprawkowe:

β - współczynnik kontrakcji

określany jest doświadczalnie lub analitycznie rozpatrując przepływ trójwymiarowy.

Ponieważ prędkość w strudze nie jest prędkością jednorodną, rzeczywista średnia prędkość wypływu jest mniejsza od teoretycznej: V_R≠V_t. Oczywistym jest, że V_R<V_t i współczynnik prędkości α wynosi:

Na wielkość współczynnika prędkości wpływa lepkość cieczy, oraz kształt otworu. Rzeczywiste natężenie wypływu wynosi:

5. WSPÓŁCZYNNIKI OPORU LINIOWEGO 9TARCIA), CZYNNIKI WPŁYWAJĄCE NA JEGO WARTOŚĆ.

1/λ^1/2= -2log(2,5/(Re λ^1/2))+S/3,7d

s-chropowatosć, λ-wsp. Strat liniowych. Zależy od przypływu, rodzaju. Bo lambda zależy od Reynoldsa. Dobrze jest gdy przepływ jest turbulentny.

6. LICZBA EULERA-POSTAĆ; W JAKICH WARUNKACH PRZEPŁYWU MA ZNACZENIE?

Liczba Eulera - wyraża stosunek sił ciśnienia do lokalnej siły bezwładności.

Liczba Eulera (Eu), gdy w zjawisku decydujące znaczenie mają siły powierzchniowe (siły ciśnienia):

7. CHARAKTERYSTYKA HYDROSTATYCZNA PROFILU, POSTAĆ GRAFICZNA.

W wielu zastosowaniach technicznych (samoloty, maszyny hydrauliczne, okręty), elementy ciał, które wykonują ruch w cieczy są odpowiednio kształtowane. To ukształtowanie ma na celu uzyskanie maksymalnej wartości siły nośnej, przy minimalizacji siły oporu. Ciała te nazywamy płatami nośnymi. O ich właściwościach hydrodynamicznych, decyduje kształt przekroju poprzecznego płata czyli profil.

Kształty profili zostały usystematyzowane. Najbardziej rozpowszechnione są profile typu NACA, Gotingen, Żukowskiego.

Właściwości hydrodynamiczne profilu są znane, jeśli znana jest zależność współczynnika siły nośnej c_z , siły oporu c_x i momentu c_M.

Charakterystyki profilu podane są najczęściej dla określonego wydłużenia płata λ. Przy innym wydłużeniu charakterystyki należy przeliczyć na właściwe wydłużeniu. Wzory do przeliczeń oparte są na założeniu eliptycznego rozkładu cyrkulacji wzdłuż rozpiętości płata. W literaturze często są znane jako wzory Prandtla.

1

Jeśli na ciecz

działa dodatkowo ciśnienie p, to siła naporu hydrostatycznego wynosi:

---