background image

WYBRANE ZAGADNIENIA Z MECHANIKI PŁYNÓW DLA ENERGETYKI-2 (Mgr) 
ROZWIĄZANIE PYTAŃ DO ZALICZENIA 
 
1. Jaką zasadę fizyczną przedstawia równanie Naviera-Stokesa? Podaj słownie 
interpretację fizyczną poszczególnych członów tego równania. 
Równanie Naviera-Stokesa przedstawia równanie zachowania pędu: 

[ ]

(

)

D

div

u

div

grad

gradp

f

Dt

u

D

µ

µ

ρ

ρ

2

3

2

+

=

 

Gdzie po podstawieniu: 

λ

 - objętościowy współczynnika lepkości, który zgodnie z hipotezą Stokesa: 

µ

λ

3

2

=

Ostatecznie równanie Naviera-Stokesa w formie wektorowej ma postać: 

(

)

[ ]

(

)

D

div

u

div

grad

gradp

f

Dt

u

D

µ

λ

ρ

ρ

2

+

=

 

E

D

C

B

A

+

+

+

=

 

gdzie: 

A

 - prędkość zmiany pędu elementu płynu 

B

 - siła masowa 

C

 - siła powierzchniowa ciśnienia 

D

 - siła powierzchniowa związana z lepkością płynu, wynikająca ze zmiany objętości 

elementu płynu ściśliwego (kompresji lub ekspansji) 

E

 - siła powierzchniowa związana z lepkością płynu, wynikająca z deformacji liniowej i 

postaciowej elementu płynu 
 
2. Napisz równanie Bernoulliego i podaj jego interpretację fizyczną. 
Równanie Bernoulliego wyraża zasady zachowania pędu i zachowania energii płynu przy 
spełnieniu odpowiednich założeń. 
Założenia: 

• przepływ jest stacjonarny:

0

=

t

  

• płyn jest nielepki: 

0

=

µ

 

• płyn jest barotropowy: 

( )

p

ρ

ρ

=

 

• pole sił masowych jest potencjalne: 

Π

=

grad

f

 

Równanie Bernoulliego można zapisać dwoma sposobami: 
1) Suma energii potencjalnej pola sił masowych, energii ciśnienia oraz energii kinetycznej 
płynu jest stała. 

const

u

p

gz

=

+

+

2

2

ρ

 

2) Suma wysokości geometrycznej, wysokości ciśnienia (czyli wysokości, na jaką wzniesie 
się słup cieczy pod ciśnieniem p) oraz wysokości prędkości (czyli wysokości, z której 
spadający element płynu uzyska prędkość u) jest stała. 

const

g

u

g

p

z

=

+

+

2

2

ρ

 

 
3. Co to jest masa towarzysząca płynu? Jak wpływa masa towarzysząca płynu na 
drgania obiektu zanurzonego w płynie? 

background image

W niestacjonarnym ruchu obiektu (ciała stałego) zanurzonego w płynie masa towarzysząca 
jest to umowna masa płynu, wykonująca ruch z tą samą prędkością z jaką porusza się obiekt. 
Masa towarzysząca zwiększa bezwładność obiektu i przez to wpływa na charakterystyki jego 
ruchu. 
W rzeczywistości ruch obiektu zanurzonego w płynie wywołuje ruch innej masy płynu ze 
zróżnicowanymi prędkościami – większymi blisko obiektu i mniejszymi w większej 
odległości od niego. Ta rzeczywista masa płynu w taki sam sposób zwiększa bezwładność 
obiektu jak umowna masa towarzysząca. 
Przy ruchu ciał stałych w gazach z reguły nie uwzględnia się masy towarzyszącej ze względu 
ma niewielką gęstość gazów. 
 
Wpływ masy towarzyszącej na oscylacje ciała sztywnego zanurzonego w płynie – prosty 
przykład jednowymiarowy. 

 

m

 - masa ciała 

c

 - współczynnik tłumienia (efekt lepkości płynu) 

k

 - współczynnik sztywności 

x

 - przemieszczenie ciała 

Masa towarzysząca zwiększa bezwładność ciała, czyli przeciwdziała oscylacjom. Wobec tego 
równanie drgań swobodnych ma postać: 

x

m

kx

x

c

x

m

a

=

+

+

&

&

&

 

(

)

0

=

+

+

+

kx

x

c

x

m

m

a

&

&

&

 

0

=

+

+

kx

x

c

x

m

e

&

&

&

 

gdzie: 
 

a

 - masa towarzysząca 

 

e

 - masa „efektywna” 

Częstość własną drgań układu w płynie można wyznaczyć jako: 

k

m

c

m

k

f

e

e

n

4

1

2

1

2

=

π

 

Jak widać, zanurzenie obiektu drgającego w płynie powoduje zmniejszenie częstości własnej 
drgań. 
 
4. Przedstaw interpretację fizyczną liczb Reynoldsa, Froude’a, Strouhala i Eulera. 
Liczba Strouhala

u

t

l

tu

l

Sh

=

=

 

Liczba Froude’a wyraża stosunek sił bezwładności do sił masowych: 

( )

l

f

u

fl

u

Fr

′′

=

=

2

2

2

 

background image

Liczba Eulera wyraża stosunek sił ciśnienia do sił bezwładności: 

2

2

u

p

u

p

Eu

=

=

ρ

ρ

 

Liczba Reynoldsa wyraża stosunek sił bezwładności do sił lepkości: 

µ

ρ

µ

ρ

=

=

l

u

ul

Re

 

 
5. Scharakteryzuj przepływy laminarne i turbulentne. 
Przepływ laminarny
 – uporządkowany ruch płynu po torach równoległych, elementy płynu 
nie mieszają się ze sobą, działa czysto lepkościowy mechanizm wymiany pędu i energii. 
Przepływ ten występuje do wartości Re=2300. 
Przepływ turbulentny – chaotyczny ruch płynu o stochastycznym charakterze, 
niestacjonarny nawet przy ustalonych warunkach brzegowych, elementy płynu mieszają się ze 
sobą, co prowadzi do intensyfikacji wymiany masy, pędu i energii. Przepływ ten występuje 
powyżej wartości Re=2300. 
 
6. W jaki sposób uwzględnia się turbulentny charakter przepływu w obliczeniach 
numerycznych? 
W przepływie turbulentnym wszystkie charakteryzujące go parametry, w tym prędkość i 
ciśnienie płynu mogą być przedstawione w postaci sum ich wartości średnich 
(wolnozmiennych) oraz fluktuacji  turbulentnych. 
 
7. Na czym polega oderwanie warstwy przyściennej i w jakich warunkach może ono 
wystąpić? 
Oderwanie warstwy przyściennej jest spowodowane przez wystąpienie dodatniego gradientu 
ciśnienia wzdłuż warstwy przyściennej (czyli wzrost ciśnienia w kierunku przepływu). 
Element płynu przy samej ściance jest hamowany siłami lepkości i siłami ciśnienia, co 
powoduje jego zatrzymanie, a następnie ruch w kierunku przeciwnym do przepływu. 
Oderwanie może wystąpić zarówno w laminarnej jak i w turbulentnej warstwie przyściennej 
(w turbulentnej występuje później, czyli przy wyższym gradiencie ciśnienia). Oderwanie 
warstwy przyściennej jest zjawiskiem niekorzystnym, zakłóca pracę maszyn i urządzeń 
przepływowych oraz obniża ich sprawność. 
 
8. Kiedy i w jaki sposób chropowatość powierzchni wpływa na opór tarcia obiektu 
umieszczonego w przepływie? 
Miarą chropowatości powierzchni jest średnia wysokość chropowatości 

s

. Z punktu 

widzenia oporu tarcia istotna jest relacja średniej wysokości chropowatości do grubości 
podwarstwy lepkiej w turbulentnej warstwie przyściennej. Jeżeli chropowatość mieści się w 
tej podwarstwie, to chropowatość nie wywołuje zmiany profilu prędkości w warstwie i nie 
wpływa na opór tarcia - powierzchnię nazywamy hydrodynamicznie gładką. Natomiast jeżeli 
wysokość chropowatości wykracza poza tę podwarstwę, to jej obecność zmienia profil 
prędkości w warstwie i wpływa na wzrost oporu tarcia. 
 
9. Od jakich wielkości zależy prędkość dźwięku w gazie? 
Z liniowego równania falowego wynika, że małe zaburzenia propagują się w gazie ze stałą 
prędkością. Ponieważ fale dźwiękowe są również małymi zaburzeniami, to prędkość ich 
propagacji można interpretować jako prędkość dźwięku

background image

0

0

ρ

κ

p

a

=

 

Lokalna prędkość dźwięku określa zależność: 

T

R

p

p

a

=

=

=

κ

ρ

κ

ρ

 

gdzie: 

 

v

p

c

c

=

κ

 - wykładnik adiabaty Poissona 

 

R

 - indywidualna stała gazowa 

 

T

 - temperatura 

Z powyższej zależności wynika, że prędkość dźwięku jest tym większa im mniej ściśliwy jest 
ośrodek. W powietrzu na poziomie morza prędkość dźwięku jest rzędu 340 [m/s], a w wodzie 
rzędu 1500 [m/s]. 
 
10. Jakie są możliwe rodzaje przepływu przez dyszę de Lavala? 
Możliwe przypadki przepływu przez dyszę de Lavala: 

 

1 – przepływ poddźwiękowy – można ich zrealizować nieskończenie wiele w zależności od 
wartości ciśnienia na wylocie (czyli tzw. przeciwciśnienia). 
2 – w konfuzorze przepływ poddźwiękowy, w gardzieli prędkość dźwięku, w dyfuzorze 
przepływ nad- lub poddźwiękowy zależnie od wartości przeciwciśnienia. 
3 – gaz wpływa do dyszy już z prędkością naddźwiękową, w konfuzorze jest lekko 
przyhamowany, ale w gardzieli jest nadal prędkość naddźwiękowa. W dyfuzorze przepływ 
nadal przyspiesza, czyli w całej dyszy mamy przepływ naddźwiękowy. 
 
11. Co to jest fala uderzeniowa? Jak zmieniają się parametry przepływu przy przejściu 
przez prostopadła falę uderzeniową? 

background image

Fala uderzeniowa jest to występująca w naddźwiękowych przepływach gazu bardzo cienka 
(o grubości rzędu kilkunastu mikronów) strefa (powierzchnia) nagłej zmiany parametrów 
przepływu.  
Fala uderzeniowa: 
• powstaje, gdy Ma>1,0 
• przy przejściu prostopadłej fali uderzeniowej mamy spadek prędkości, wzrost ciśnienia, 
gęstości, temperatury i energii gazu  
• prostopadła fala uderzeniowa jest wtedy gdy Ma<1,0. 
 
12. Na czym polega zjawisko kawitacji i w jakich warunkach może wystąpić? 
Kawitacja
 jest to zjawisko powstawania, dynamicznego rozwoju i zaniku pęcherzy parowo-
gazowych w cieczach, wywołane lokalnymi zmianami ciśnienia przy stałej temperaturze.  
O przebiegu zjawiska decydują:  
• dyfuzja/odgazowanie,  
• parowanie/kondensacja,  
• bezwładność cieczy,  
• napięcie powierzchniowe,  
• adhezja,  
• lepkość cieczy. 
Występowanie kawitacji: 
• ciekłe gazy – paliwa silników rakietowych, 
• ciekłe metale – chłodziwo reaktorów jądrowych, 
• ciecze naturalne – czynniki robocze w maszynach hydraulicznych (na przykład paliwo w 
silniku wysokoprężnym),  
• krew – w przepływie przez sztuczną zastawkę serca. 
 
13. W jaki sposób można modelować obliczeniowo przepływy potencjalne? 
Jeżeli przepływ płynu jest bezwirowy, czyli wszędzie lub prawie wszędzie w polu przepływu 
jest 

0

=

u

rot

 to oznacza, że istnieje funkcja skalarna 

(

)

t

z

y

x

,

,

,

ϕ

, taka że 

ϕ

grad

u

=

Przepływ taki nazywamy przepływem potencjalnym, a funkcję 

ϕ

 nazywamy potencjałem 

prędkości. 

Mamy: 

x

u

x

=

ϕ

 

y

u

y

=

ϕ

 

z

u

z

=

ϕ

 

W przypadku przepływu potencjalnego płynu nieściśliwego równanie zachowania masy 
przekształca się w równanie Laplace’a: 

( )

0

0

2

2

2

2

2

2

=

+

+

=

=

=

+

z

y

x

divgrad

u

div

t

ϕ

ϕ

ϕ

ϕ

ϕ

ρ

ρ

 

Równanie Laplace’a jest liniowe, co oznacza, że suma jego rozwiązań jest również 
rozwiązaniem. W praktyce więc można składać bardzo skomplikowane funkcje potencjału, 
opisujące złożone przepływy, z funkcji opisujących tzw. przepływy elementarne. 
 
14. Na czym polegają metody różnic skończonych i elementów skończonych w 
zastosowaniu do obliczania przepływów? 
Metoda różnic skończonych
 polega na przekształceniu równań różniczkowych w ich 
równoważniki różnicowe. Autorstwo metody jest przypisywane B. Taylorowi. W praktyce 
spotyka się trzy schematy różnicowe. Jeżeli pochodna funkcji jest określona jako: 

(

) ( )

h

x

f

h

x

f

dx

df

dh

df

h

+

=

=

0

lim

 

To można ją aproksymować jako: 

background image

• Różnicę „w przód”: 

(

) ( )

h

x

f

h

x

f

h

f

+

=

  

• Różnicę „wstecz”: 

( ) (

)

h

h

x

f

x

f

h

f

=

 

• Różnicę centralną: 

h

h

x

f

h

x

f

h

f

+

=

2

1

2

1

 

O błędach względnych aproksymacji równych odpowiednio: 

( )

h

O

dx

df

h

f

=

 

( )

2

h

O

dx

df

h

f

=

 

 
Metoda elementów skończonych: Analizowany obszar przepływu jest dzielony na części, 
tzw. elementy skończone. W wybranych punktach każdego elementu chcemy określić 
wartości poszukiwanej funkcji, np. prędkości, ciśnienia itp. Rozkład tej funkcji postulujemy w 
postaci funkcji bazowej aproksymującej rozwiązanie. Parametry funkcji aproksymującej 
ustalamy przy pomocy metody wariacyjnej. 
 
15. Na czym polega metoda objętości skończonych w zastosowaniu do obliczania 
przepływów? 
Metoda objętości skończonych
 polega na przekształceniu równań różniczkowych w 
równania algebraiczne poprzez całkowanie tych równań w granicach każdej objętości 
skończonej w oparciu o założoną aproksymację zmienności parametrów opisujących 
przepływ w granicach objętości (np. liniową, kwadratową itp.). 
 
16. W jaki sposób uwzględnia się straty przepływu w równaniu Bernoulliego 
zastosowanym do rurociągu? 
Równanie Bernoulliego dla rzeczywistego przepływu ze stratami ma postać: 

=





+

+





+

+

2

1

2

2

2

2

1

1

2

1

2

~

2

~

dl

S

C

p

gz

p

u

gz

p

u

ρ

ρ

ρ

τ

 

albo: 

const

H

h

z

g

p

g

u

z

g

p

g

u

s

=

=

+

+

+

=

+

+

2

2

2

2

1

1

2

1

2

~

2

~

ρ

ρ

 

gdzie: 
 

s

 - wysokość strat 

Wysokość strat możemy podzielić na dwa składniki: 
• wysokość strat liniowych związanych z tarciem płynu o ścianki przewodu prostoliniowego o 
stałym przekroju, wyrażona wzorem: 

d

l

g

u

h

s

λ

2

~

2

=

 

• wysokość strat lokalnych związanych z obecnością zaworów, kolan, zwężeń, rozgałęzień i 
innych elementów, wyraża się wzorem: 

g

u

g

u

h

s

2

~

2

~

2

2

2

1

ς

ς

=

=

 

background image

Gdzie 

ς

 jest współczynnikiem strat lokalnych, który może być określony w odniesieniu do 

prędkości przed elementem lub prędkości za elementem. Współczynniki 

ς

 są określane 

eksperymentalnie i można je znaleźć w odpowiednich tablicach.  
 
W przypadku gdy przepływ odbywa się w przewodach o znacznej średnicy, równanie 
Bernoulliego powinno być jeszcze uzupełnione o współczynnik Coriolisa (lub de Saint-
Venanta) 

α

 

const

H

h

z

g

p

g

u

z

g

p

g

u

s

=

=

+

+

+

=

+

+

2

2

2

2

2

1

1

2

1

1

2

~

2

~

ρ

α

ρ

α

 

Wynika to z faktu, że rzeczywista energia strumienia niejednorodnego różni się od energii 
obliczonej według średniej prędkości wydatkowej dla tego strumienia. Wobec tego mamy: 

A

u

dA

u

A

=

3

3

~

α

 

Współczynnik 

α

 jest tym większy im bardziej niejednorodne jest pole prędkości przepływu. 

 
17. W jaki sposób średnia prędkość przepływu w kanale otwartym zależy od napełnienia 
kanału? 
Prędkość przepływu jest proporcjonalna do kwadratu grubości warstwy cieczy, czyli: 
prędkość przepływu w kanale otwartym rośnie ze wzrostem stopnia napełnienia kanału. 
 
18. Narysuj i zinterpretuj charakterystyki aerodynamiczne profilu. 
Charakterystyki aerodynamiczne profilu to zależność współczynników siły nośnej i siły oporu 
(ewentualnie także momentu) od kąta natarcia. 

 

 
Gdzie: 

 

S

V

P

C

Z

Z

2

2

=

ρ

 – współczynnik siły nośnej 

 

S

V

P

C

X

X

2

2

=

ρ

 – współczynnik siły oporu 

 

 

 

Sl

V

M

C

M

2

2

=

ρ

 – współczynnik siły aerodynamicznej 

background image

 

X

Z

C

C

=

ε

 – współczynnik doskonałości profilu 

 

 – powierzchnia płata (w przypadku profilu – powierzchnia odcinka o jednostkowej 

rozpiętości) 

 

– wypadkowa siła aerodynamiczna 

 

Z

P

 – siła nośna 

 

X

P

 – siła oporu 

 

 – moment siły aerodynamicznej 

 

V

 – prędkość przepływu 

 

α

 – kąt natarcia 

 
19. Co to jest wyróżnik szybkobieżności wirnikowych maszyn przepływowych? 
Kinematyczny wyróżnik szybkobieżności
 maszyny wirnikowej to prędkość obrotowa pompy 
geometrycznie podobnej o jednostkowej wysokości hydraulicznej i jednostkowej wydajności: 

H

Q

H

n

n

sQ

=

 

Bezwymiarowy wyróżnik szybkobieżności

(

)

4

3

2

1

H

g

Q

n

n

sf

=

 

Wyróżnik szybkobieżności jednoznacznie charakteryzuje typ wirnika maszyny. Wartość 
wyróżnika wzrasta ze wzrostem wydajności i prędkości obrotowej a maleje ze wzrostem 
wysokości hydraulicznej. 
 
20. Jakie czynniki wchodzą w skład zależności opisującej sprawność pompy wirnikowej? 
Moc dostarczona do pompy 

 jest większa od mocy użytecznej z powodu strat, które dzielimy 

na straty hydrauliczne, objętościowe i mechaniczne. Łączny wpływ strat ujmuje sprawność 
pompy, którą można przedstawić jako iloczyn sprawności hydraulicznej, sprawności 
objętościowej i sprawności mechanicznej: 

m

v

h

u

N

N

η

η

η

η

=

=

 

Straty hydrauliczne wywołane są tarciem cieczy o ścianki wirnika i kadłuba pompy oraz tarciem 
wewnętrznym. 

t

p

p

p

p

h

H

h

h

h

h

=

+

=

η

 

Gdzie teoretyczna wysokość podnoszenia dla pompy o skończonej liczbie łopatek wynosi: 

(

)

u

u

t

v

r

v

r

g

H

1

1

2

2

=

 

Straty objętościowe są spowodowane przepływem wstecznym pomiędzy wirnikiem a kadłubem 
pompy, który sprawia, że rzeczywistyprzepływ przez wirnik jest większy od wydajności pompy. 

(

)

w

v

w

t

w

v

w

t

v

w

v

N

N

N

H

Q

g

Q

Q

H

g

Q

Q

Q

Q

Q

=

=

+

=

=

ρ

ρ

η

 

Teraz wzór na sprawność hydrauliczną można zapisać: 

(

)

v

w

u

t

v

w

p

h

N

N

N

H

Q

Q

g

h

Q

g

=

=

ρ

ρ

η

 

Straty mechaniczne są spowodowane tarciem w łożyskach i uszczelnieniach, a także tarciem 
zewnętrznej części wirnika o ciecz. 

background image

N

N

N

N

N

w

m

w

w

m

=

=

η

 

Ostatecznie: 

m

v

h

w

w

v

w

v

w

u

u

N

N

N

N

N

N

N

N

N

N

η

η

η

η

=

=

=

 

 
21. Jakie zagrożenia dla pracy maszyn i urządzeń przepływowych niesie kawitacja? 
Kawitacja ma na ogół negatywny wpływ na pracę maszyn i urządzeń przepływowych, powodując 
następujące niekorzystne zjawiska: 
• spadek sprawności maszyn przepływowych, 
• erozję elementów maszyn i urządzeń przepływowych, 
• generację drgań i emisji akustycznej.