background image

str. 1 

LABORATORIUM Z PODSTAW TEORII OKRĘTU 

 

Sprawozdanie z ćwiczenia nr 20 (4) 

Pomiar oporu ciał o różnych kształtach, wizualizacja opływu 

 

Data realizacji ćwiczenia:  
 
Data oddania sprawozdania:  
 
Grupa:  
 
Lista studentów uczestniczących w ćwiczeniu: 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

background image

str. 2 

1. Cel ćwiczenia 
 
Celem  ćwiczenia  jest  pomiar  oporu  ciał  o  różnym  kształcie.  Doświadczenie  przeprowadzone  jest  w 
małym kanale obiegowym ,znajdującym się w hali zajęć dydaktycznych Laboratorium Hydromechaniki 
Okrętu Instytutu Okrętowego Politechniki Gdańskiej. 
 
2. Podstawowe informacje 
 
2.1 Opór ciał całkowicie zanurzonych. 
 
W  przypadku  ciał  całkowicie  zanurzonych,  zaniedbując  wpływ  ściśliwości  oraz  wpływ  napięcia 
powierzchniowego i grawitacji jest funkcją liczby Reynoldsa. 
 

 

 
Gdzie  jako  charakterystyczny  wymiar  liniowy  ciała  przyjmuje  się  w  hydrodynamice  ogólnej  zwykle 
grubość ciała mierzoną prostopadle do kierunku przepływu, a jako powierzchnię A- powierzchnie rzutu 
ciała na kierunek prostopadły do przepływu. 
 
2.2 Co to jest paradoks d’Alemberta. 
 
Ciało  sztywne  znajdujące  się  w  przepływie  płynu  nielepkiego  nie  napotyka  w  ruchu  jednostajnym  na 
żaden opór ze strony płynu. 
 
2,3 Co to jest warstwa przyścienna? 
 
Jest to bardzo cienka warstwa w bezpośrednim sąsiedztwie ciała, w której prędkość płynu rośnie od zera 
na powierzchni ciała, zmierzając do prędkości strumienia płynu nielepkiego. 
 
2.4 Co to jest odrywanie przepływu? 
 
Powstaje kiedy linie prądu przestają przylegać do powierzchni ciała, prędkość przepływu w sąsiedztwie 
ciała zmienia kierunek na przeciwny, tworzy się wir, który odpływa dając miejsce następnemu. 
 
2.5 Co to jest współczynnik oporu i od czego zależy? 
 
Współczynnik  oporu  (inaczej  liczba  Newtona)  to  współczynnik  Cp  wyrażający  stosunek  siły  F 
wywieranej na ciało przez ciecz do sił bezwładności. 
 
2.6 Co to jest liczba Reynoldsa? 
 
Wyraża stosunek sił bezwładności do sił ciężkości. 
 
2.7 Jaki jest podział ciał ze względu na opór i jak wygląda ich opływ? 
 
a) Ciała tępe 
b) Ciała zaokrąglone 
c) Ciała opływowe 
 
 
 

background image

str. 3 

3. Opis stanowiska badawczego 
 
3.1 Kanał kawitacyjny 
 
Pomiar  oporu  ciał  został  przeprowadzony  w  małym  obiegowym  kanale  wodnym.  Przepływ  wody 
wytwarzany  jest  za  pomocą  dwu  kół  łopatkowych  napędzanych  przez  silnik  o  regulowanej  prędkości 
obrotowej.  Badane  ciało  było  umieszczane  w  przestrzeni  pomiarowej,  umocowując  do  dynamometru 
trzech  składowych,  pozwalającemu  na  jednoczesny  pomiar  oporu,  siły  nośnej  i  momentu 
hydrodynamicznego.  Pomiar  prędkości  przepływu  dokonuje  się  za  pomocą  pojedynczej  sondy  Pitota, 
pozwalającej  bezpośrednio  odczytać  wysokość  ciśnienia  prędkości  jako  różnice  pomiędzy  poziomem 
wody  w  kanale  i  poziomem  wody  w  sondzie.  Wyniki  pomiarów  rejestrowane  i  przetwarzane  są  za 
pomocą komputera. 
 
 

 

 

background image

str. 4 

3.2 Ciał o różnych kształtach 
 
Podczas  pomiaru oporu ciał były wykorzystywane następujące bryły: 
 
3.2.1 Płaska płyta 
 

 

 

 

 
3.2.2 Graniastosłup o podstawie trójkąta równoramiennego. 
 

 

 

 
3.2.3 Walec kołowy. 
 

 

 
 

1A 

1B 

1C 

2A 

2B 

background image

str. 5 

4. Wyniki pomiarów 
 
Dla każdej wartości oporu i prędkości modelu dokonano obliczeń odpowiadających im liczb Froude’a , 
Reynoldsa i współczynnika oporu (przyjmując gęstość wody i kinematyczny współczynnik lepkości dla 
temperatury 18° C).

 

 

Lp. 

Charakterystyka ciała 

U [ m/s ] 

R* [ N ] 

R** [ N ] 

R*** [ N ] 

Cd [ N ] 

RN [ - ] 

FN [ - ] 

1A 

L = 20 [ cm ] = 0,2 [ m ] 

0,704 

-1,373 

-1,030 

0,343 

924 

3338 

0,50260 

T = 30 [ cm ] = 0,3 [ m ] 
A = 0,0015 

0,576 

-0,899 

-1,030 

0,131 

527 

2731 

0,41122 

S = 0,5 [ cm ] = 0,005 [ m ] 

0,460 

-1,003 

-1,030 

0,027 

170 

2181 

0,32840 

1B 

L = 0,5 [ cm ] = 0,005 [ m ] 

0,204 

0,877 

-1,030 

1,907 

1530 

38689 

0,92111 

T = 30 [ cm ] = 0,3 [ m ] 
A = 0,06 

0,384 

6,193 

-1,030 

7,223 

1635 

72827 

1,73385 

S = 20 [ cm] = 0,2 [ m ] 

0,561 

14,621 

-1,030 

15,651 

1660 

106395 

2,53305 

1C 

L = 20 [ cm ] = 0,2 [ m ] 

0,442 

-0,960 

-1,030 

0,070 

171 

6287 

0,31555 

T = 30 [ cm ] = 0,28 [ m ] 
A = 0,0042 

0,589 

-0,817 

-1,030 

0,213 

293 

8378 

0,42050 

S = 1,5 [ cm ] = 0,015 [ m ] 

0,699 

-0,612 

-1,030 

0,418 

408 

9943 

0,49903 

2A 

L = 10 [ cm ] = 0,1 [ m ] 

0,438 

2,932 

-1,030 

3,962 

1379 

41534 

0,44222 

T = 30 [ cm ] = 0,3 [ m ] 
A = 0,03 

0,575 

3,964 

-1,030 

4,994 

1008 

54525 

0,58054 

S = 10 [ cm ] = 0,1 [ m ] 

0,700 

6,400 

-1,030 

7,430 

1012 

66378 

0,70675 

2B 

L = 10 [ cm ] = 0,1 [ m ] 

0,398 

2,359 

-1,030 

3,389 

1428 

37741 

0,40184 

T = 30 [ cm ] = 0,3 [ m ] 
A = 0,03 

0,553 

6,375 

-1,030 

7,405 

1617 

52439 

0,55833 

S = 10 [ cm ] = 0,1 [ m ] 

0,693 

11,912 

-1,030 

12,942 

1799 

65715 

0,69968 

L = 10 [ cm ] = 0,1 [ m ] 

0,363 

0,547 

-1,030 

1,577 

799 

34422 

0,36650 

T = 30 [ cm ] = 0,3 [ m ] 
A = 0,03 

0,574 

3,328 

-1,030 

4,358 

883 

54430 

0,57953 

S = 10 [ cm ] = 0,1 [ m ] 

0,698 

5,439 

-1,030 

6,469 

887 

66189 

0,70473 

 
Korzystając ze wzorów: 
 

Liczba Froud’a: 

    

 

Liczba Reynoldsa: 

 

 

Współczynnik oporu:

 

 

Prędkość strumienia swobodnego

h

g

U

2

 

 

background image

str. 6 

R* 

– opór statku (pomierzony) 

R** 

– opór statku (kalibracyjny) 

R***  – opór statku (właściwy) 
Cd 

– współczynnik oporu całkowitego 

R

N

 

– współczynnik związany z siłami lepkości 

F

– środek ciężkości pola powierzchni wodnicy 

– powierzchnie rzutu ciała na kierunek prostopadły do przepływu 

– prędkość strumienia swobodnego 

 

– gęstość płynu 

– opór ciała 

– poziom wody w sondzie 

– przyspieszenie grawitacyjne 

 

– lepkość dynamiczna płynu 

 
4.1 Płaska płyta 
 

1A 

   

 

 

1B 

   

 

 
 
 
 

background image

str. 7 

1C 

  

 

 
4.2 Graniastosłup o podstawie trójkąta równoramiennego. 
 

2A 

   

 

 

2B 

   

 

 

background image

str. 8 

4.3 Walce kołowy. 
 

  

 

 
 
5. Wnioski wynikające z przeprowadzonych badań 
 
a)  Ciała tępe  –  zwane również ciałem urwistym albo ciałem  o dużym oporze, charakteryzują  się płaską 
ścianą czołową zakończoną ostrymi krawędziami i wymiarami poprzecznymi znacznymi w stosunku do 
długości. Typowym przykładem takiego ciała jest: 

 

płaska płyta ustawiona prostopadle do przepływu; 

 

graniastosłup o podstawie trójkąta równoramiennego ustawiony prostopadle do przepływu; 

Po  stronie  czołowej  płyty  prędkość  przepływu  spada  do  zera  w  punkcie  spiętrzenia  leżącym  na  osi 
symetrii przepływu, a wzdłuż czoła płyty rośnie aż do krawędzi, gdzie następuje przymusowe oderwanie. 
Za płytą powstaje ślad turbulentny. Dominującą,  niemal  wyłączną częścią oporu ciała tępego jest opór 
ciśnienia,  ponieważ  naprężenie  styczne  działają  w  kierunku  prostopadłym  do  kierunku  strumienia 
swobodnego. Opór ciał tępych przy liczbach Reynoldsa większych od 1000, jest niemal stały i niezależny 
od R

N

 
b)  Ciała  zaokrąglone  –  podobnie  jak  ciało  tępe,  charakteryzuje  się  wymiarem  poprzeczny  znaczny  w 
stosunku do długości, jednak pozbawione są ostrych krawędzi, jak np.: 

 

walec kołowy; 

Występuje  tu  również  odrywanie  przepływu,  jednak  przyczyna  odrywania  jest  inna,  Nie  jest  nią 
nieciągłość  powierzchni  opływowej,  ale  zahamowanie  warstwy  przyściennej  dodatnim  gradientem 
ciśnienia.  Punkt  odrywania  nie  jest  przymusowy,  ale  pojawia  się  w  tym  miejscu  gdzie  warstwa 
przyścienna  posiada  zbyt  małą  energię  kinetyczną,  aby  przedostać  się  do  obszaru  wysokiego  ciśnienia, 
kumuluje się i następnie odrywa w pewnych odstępach czasu. Dla ciał zaokrąglonych położenie punktu 
oderwania  zależy  od  liczby  Reynoldsa.  W  odróżnieniu  od  ciał  urwistych  występuje  tu  również  opór 
tarcia, jest on jednak mały w porównaniu z oporem ciśnienia, ponieważ większa część powierzchni ciała 
graniczy  z  obszarem  odrywania.  W  zakresie  zmienności  liczb  Reynoldsa  od  1000  do  100000 
współczynniki oporu ciał tępych i zaokrąglonych są tego samego rzędu, co wynika z podobnej szerokości 
śladu. 
 
c) Ciała opływowe – ciała o małym oporze, są to ciała o wymiarach poprzeczne małych w stosunku do 
długości,  zaprojektowane  w  taki  sposób,  aby  zmniejszyć  do  minimum  obszar  odrywania,  a  więc  są 
smukłe,  pozbawione  nieciągłości  powierzchni  i  zakończone  ostrzem  lub  ostrą  krawędzią  spływu. 
Typowym przykładem ciała opływowego, zwanego również aerodynamicznym, jest: 

 

płaska płyta ustawiona w pozycji zerowego kąta natarcia; 

background image

str. 9 

 

płaska płyta ustawiona w pozycji miedzy 45

o

 do przepływu; 

 

graniastosłup o podstawie trójkąta równoramiennego ustawiony w pozycji zerowego kąta natarcia; 

Taki  sposób  ukształtowania  ciała  powoduje,  ze  warstwa  przyścienna  rozciąga  się  niemal  na  całą  jego 
powierzchnię,  a  punkt odrywania  leży  bardzo  blisko  krawędzi  spływu.  Opływ  ciała  aerodynamicznego 
jest  (poza  wąskim  śladem)  zbliżony  do  opływu  potencjalnego,  bez  wirowego,  zachodzącego  w  płynie 
nielepkim. Opór ciśnienia musi być wiec bardzo mały i rzeczywiści wynosi około 1/40 oporu ciśnienia 
ciał tępych i zaokrąglonych. Głównym składnikiem oporu pozostaje więc opór tarcia i jakkolwiek jest on 
zwiększony  ze  względu  na  dużą  długość  opływu,  to  i  tak  opór  całkowity  jest  rząd  mniejszy  niż  w 
wypadku ciał tępych lub zaokrąglonych. 
 
6. Uwagi krytyczne studentów, wynikające ze zdobytej wiedzy 
 

a)  Badanie  zostało  przeprowadzone  w  basenie  modelowym  co  oznacza  że  pomiary  są  niezgodne  z 

rzeczywistością.