background image

1 pomiar strumienia objętości

-przepływomierz pływakowy (rotometr) przepływ płynu odbywa się ku górze. 

Pomiar strumienia objętości rotometru sprowadza się do określenia położenia pływaka w 
kanale.
V

z

=√[(2Δp)/ρ] – z równ. Bernoulliego

Δp – różnica ciśnień dla dolnej i górnej powierzchni pływaka.

ΔpF + Vρy = Vyp – w stanie ustalonym





=

1

2

p

p

F

V

y

V

z

ρ

0 = V

- F

0

V – objętość pływaka
ρ – gęstość płynu
F – pole pow. pływaka
F

0

 – swobodny przekrój szczeliny między pływakiem a ścianką kanału





=

=

1

2

)

(

4

)

(

4

2

2

2

2

0

p

p

F

V

y

d

D

Q

d

D

F

ρ

π

π

 , gdy ρ=const  Q=(π/4)

*

(D²-d²).

-przepływ krzywakowy
pomiar strumienia objętości za pomocą tego przyrządu polega na pomiarze różnicy ciśnień 
między strumieniami płynu opływowego. Wypukłą i wklęsłą stronę zakrywa przewód. Przy 
przepływie płynu przez zakrzywiony przewód na skutek działania siły dośrodkowej następuje 
wzrost ciśnienia w kierunku odśrodkowym. Różnica ciśnień po stronie wklęsłej i wypukłej 
krzywaka jest większa, im większy jest strumień m objętości przepływu krzywaka, 
jakościowo zbliżony jest do ruchu płynu idealnego, w którym moment prędkości M jest stały 
dla wszystkich elementów.

R – promień krzywizny linii środkowej. 

r

1

=R-a  r

2

=R+a  {promienie zewnętrzne i wewnętrzne krzywaka}

p

2

 – p

1

=[(V

1

2

-V

2

2

)/2]

*

ρ

V

1

=μ/r

1

  ;  V

2

=μ/r

2

(

)

2

2

2

2

1

2

2

2

1

2

2

2

2

1

2

)

(

2

2

)

(

2

1

1

2

a

R

R

a

R

a

R

p

p

Q

a

R

a

R

p

p

n

a

R

a

R

p

p

=

=

+

=

π

ρ

ρ

µ

ρ

-przepływomierz końcowy (gazometr)
W obudowie przepływomierza znajdują się dwa ruchome przewody z części komory 
zaworowej na stałą przegrodę dzielące przewód na dwie identyczne części. Przy otwartych 
zaworach wlotowych i zamkniętych wylotowych następuje napełnienie komór powietrzem. 
Wielkością pomiarową gazomierza jest wielkość skokowa komór.

background image

2 płyty nieprzesuwne – wzór   Naviera – Stokesa



+

+

=

+

+





+

+

=

+

+

=

=

2

2

2

2

2

2

2

2

1

1

0

0

0

y

V

x

V

x

p

y

V

y

V

V

x

V

t

V

y

V

x

V

x

p

y

V

y

V

V

x

V

t

V

x

p

V

x

V

V

y

y

y

y

x

y

y

x

x

y

x

x

x

x

x

x

y

υ

ρ

υ

ρ

)

(

;

)

)

(

2

1

2

1

0

0

0

0

2

1

1

1

0

)

0

0

0

0

0

2

2

2

1

2

1

2

2

2

2

2

2

y

h

g

p

p

gh

p

y

g

p

gh

p

C

C

h

g

p

p

p

h

y

C

y

g

p

y

g

p

g

y

p

b

h

y

nl

pg

V

g

nl

ph

C

C

V

V

h

y

y

C

y

C

y

nl

p

V

C

y

nl

p

y

V

y

V

n

l

p

y

V

n

x

p

y

V

x

p

a

x

x

x

x

x

x

+

=

+

+

=

+

=

+

=

=

=

+

=

=

=

=

=

=

=

=

=

=

+

+

=

+

=

=

=

=

+

=

ρ

ρ

ρ

ρ

ρ

ρ

ρ

ρ

ρ

ρ

υ

ρ

background image

3 równanie ciągłości – ruch nieustalony płynu ściśliwego

Przy przepływie przestrzennym, gdzie wyznaczamy składowe prędkości V

x

,V

y

,V

z

 ciśnienie p 

ρ jako funkcję współrzędnych x, y, z równania ciągłości wyprowadza się z równania masy 
płynu, która wypływa z elementarnego sześcianu o krawędziach dx, dy, dz .
 

  

☺-

 

(

)

dx

x

V

V

x

x

+

ρ

ρ

Nieustawny przepływ płynu ściśliwego gdzie gęstość ρ(x, y, z, t)=0. W czasie dt w kierunku 
osi x wpływa do elementu przez lewą ścianę o powierzchni dydz masa płynu ρV

x

dzdydt. 

Przez przeciwległą ściankę w tym samym czasie wypływa masa płynu.

(

)

dydzdt

dx

x

V

V

x

x

+

ρ

ρ

przyrost masy w czasie dt w kierunku osi x 

(

)

(

)

dxdydzdt

x

V

dydzdt

dx

x

V

V

dydzdt

V

x

x

x

x

=

+

ρ

ρ

ρ

ρ

Analogicznie przyrost masy przy przepływie w kierunku y i z wynoszą:

( )

(

)

dxdydzdt

z

V

dxdydzdt

y

V

z

y

ρ

ρ

;

Suma przyrostów mas w elemencie płynu w kierunku wszystkich osi:

(

)

( )

(

)

dxdydzdt

z

V

y

V

x

V

z

y

x

+

+

+

ρ

ρ

ρ

Równocześnie jednak mamy gęstość ρ która w czasie t wynosiła ρ(x,y,z,t), więc w czasie t+dt 
gęstość   ρ(x,y,z,t+dt)=ρ+(لρ/لt)

*

dt

W czasie dt masa płynu wewnątrz elementu zmieni się od wartości  ρ(dxdydz) do [ρρ/
لt)

*

dt]dxdydz. Stąd przyrost masy  -ρdxdydz+[ρ+ρ/لt)

*

dt]dxdydz = (لρ/لt)dxdydzdt. 

Porównując przyrosty otrzymujemy:

(

)

( )

(

)

(

)

( )

(

)

0

=

+

+

+

=

+

+

+

z

V

y

V

x

V

t

dxdydzdt

t

dxdydzdt

z

V

y

V

x

V

z

y

x

z

y

x

ρ

ρ

ρ

ρ

ρ

ρ

ρ

ρ

{różnicowe równanie ciągłości ruchu nieustalonego płynu ściśliwego.

lub : 

(

)

( )

(

)

dt

dz

z

z

V

V

z

z

V

z

V

dt

dy

y

y

V

V

y

y

V

y

V

dt

dx

x

x

V

V

x

x

V

x

V

z

z

z

z

y

y

y

y

x

x

x

x

+

=

+

=

+

=

+

=

+

=

+

=

ρ

ρ

ρ

ρ

ρ

ρ

ρ

ρ

ρ

Podstawiając do równania ciągłości :

0

=





+

+

+

+

+

+

z

V

y

V

x

V

dt

dz

z

dt

dy

y

dt

dx

x

t

z

y

x

ρ

ρ

ρ

ρ

ρ

0

=

+

V

div

dt

dp

ρ

 → równanie ciągłości ruchu nieustalonego płynu ściśliwego.

background image

4. Dysza zwężka Venturiego 

Dysza Venturiego jest to dysza z długim dyfuzorem, czyli takim, gdzie większa średnica 
dyfuzora równa jest średnicy przewodu a otwory impulsowe znajdują się po stronie dopływu 
w obudowie dyszy a po stronie odpływu w cylindrycznym przewężeniu.
Jeżeli zastosujemy zwężkę w rurociągu to spowoduje ona zmniejszenie przekroju 
poprzecznego a co za tym idzie wzrost średniej prędkości przepływu i energii kinetycznej 
oraz spadek ciśnienia statycznego. Jeżeli płyn ma gęstość stałą i porusza się w kierunku 
poziomym rurociągu to równanie Bernoulliego będzie miało postać  : 
V

1

²/2 + p

1

/ρ = V

2

²/2 + p

2

/ρ

Stopień rozwarcia modułu zwężki „m”=(d/Δ)² a stopień przewężenia strumienia m=(d/Δ)². Z 
równania ciągłości wynika V

1

=V

2

=F

2

/F

1

 → V

2

=μm.

Prędkość przepływu płynu idealnego wynosi :

)

(

2

1

1

2

1

2

2

2

p

p

m

V

=

ρ

µ

W przepływie rzeczywistym ρ<<1

)

(

2

1

1

2

2

2

2

p

p

m

V

=

ρ

µ

Strumień objętości wynosi :

(

)

(

)

2

1

2

1

2

2

2

2

2

2

2

1

2

2

p

p

f

p

p

m

f

d

V

d

Q

z

z

=

=

=

=

ρ

α

ρ

µ

µ

π

µ

π

Gdzie : 

(

)

2

1

2

2

2

1

p

p

f

Q

m

=

=

ρ

µ

µ

α

α - liczba przepływu zwężki, f – pole powierzchni przekroju zwężki.

background image

5 prawo Darcy’ego

Prawo Darcy’ego łączy w liniową zależność wydatek strumienia filtracyjnego Q z 
powierzchnią jego przekroju poprzecznego F i spadkiem hydraulicznym J.
Q = k

f*

F

*

J ,  gdzie    k

- wsp. filtracji , l - długość drogi przepływu.

∆=∆h/l   (∆h=∆p/γ)
Ponieważ V

f

 (prędkość filtracji) = Q/F, otrzymujemy V

= k

f*

J

Dla małych prędkości przepływ ma charakter laminarny i podlega liniowemu prawu 
Darcy’ego. Gdy prędkość wzrasta, siły pulsacji powodują zmianę ruchu cząsteczek. 
Chaotyczny wsp. filtracji k

f

 nie zależy jedynie od własności skały porowatej, ale również od 

własności płynu takich jak lepkość oraz ciężar właściwy. Można to opisać tak :
K

f

 = k/μ = -k

f

/υ  , gdzie:

k – współ. przepuszczalności
υ – kinetyczny współ. lepkości
μ – dynamiczny współ. lepkości

Podstawiając powyższą zależność do wzoru Darcy’ego mamy : 

pF

l

Q

k

l

pF

k

Q

=

=

µ

µ

przy małych długościach rdzenia p

śr

 = (p

1

-p

2

)/2 ,

gdzie p

1

 i  p

2

 to ciśnienie gazu na wlocie i wylocie 

)

(

2

1

p

p

F

l

Qp

k

śr

=

µ

.

Przy zał., że proces wznoszenia się gazu w rdzeniu jest izotermiczny. 

2

1

0

0

0

2

p

p

l

p

Q

Q

=

Q

0

 – wydatek gazu w warunkach atmosferycznych jest izotermiczny

p

0

 – ciśnienie barometryczne 

czyli współ. przepuszczalności ma postać: 

)

(

2

2

1

0

0

p

p

F

l

p

Q

k

=

background image

6 płyty ruchome

  v=c≠e       

0

=

=

t

V

t

V

y

x

ruch ustalony

x – składowa pozioma jedn. sił masowych
y = -y  - składowa pionowa sił masowych

0

=

x

P

 z założenia ruchu

2

2

2

2

2

2

2

2

2

2

.

3

1

.

2

1

.

1

y

V

a

y

V

x

V

t

p

y

V

V

V

y

V

t

V

y

V

x

V

t

p

x

V

y

V

V

x

V

t

V

x

x

y

y

y

x

y

y

x

y

y

y

x

x

x

=



+

+

=

+

+



+

+

=

+

+

ρ

µ

ρ

µ

ρ

ρ

µ

ρ

Całkujemy wobec tego μ/ρ≠0 oraz 

2

2

2

2

dy

V

d

y

V

x

x

=

 dla  y=0→V

x

=0 ; 

y=h→V

x

=V

B

υ

ρ

ρ

µ

=

=

x

p

y

p

V

y

V

B

x

lub

1

0

p=xy+c   dla y=h
p

0

=-υh+c → c=p

0

+υh, ostatecznie : p=υ(h-y+p

0

) dla y=0   ;    p

B

=υh+p

0

background image

7 wyprowadzić układ ciśnienia wzdłuż długiego rurociągu

Równanie ruchu płynu lepkiego:

(

)

V

div

grad

V

p

grad

F

dt

V

d

3

1

+

+

=

υ

gdzie υ=μ/ρ – liniowy współczynnik lepkości





+

+

+





+

+

+

=





+

+

+



+

+

+

=





+

+

+





+

+

+

=

z

V

y

V

x

V

z

z

V

y

V

x

V

z

p

z

dt

dV

z

V

y

V

x

V

y

z

V

y

V

x

V

y

p

y

dt

dV

z

V

y

V

x

V

x

z

V

y

V

x

V

x

p

x

dt

dV

z

y

x

z

z

z

z

z

y

x

y

y

y

y

z

y

x

x

x

x

x

3

1

1

3

1

1

3

1

1

2

2

2

2

2

2

2

2

2

2

2

2

2

2

2

2

2

2

ρ

µ

ρ

ρ

µ

ρ

ρ

µ

ρ

Rozwiązania te są rozwiązaniami ruchu płynów lepkich i ściśliwych 
przy założeniu, że μ=const. Dla płynu nieściśliwego 

V

V

p

grad

F

dt

V

d

V

div

+

=

=

0

Równanie ruchu płynu nieściśliwego i lepkiego można przedstawić w 
jednej postaci po rozwiązaniu wyrażenia na przyśpieszenie całkowite.





+

+

+

=

+

+

+



+

+

+

=

+

+

+





+

+

+

=

+

+

+

2

2

2

2

2

2

2

2

2

2

2

2

2

2

2

2

2

2

1

1

1

z

V

y

V

x

V

z

p

z

z

V

V

y

V

V

x

V

V

t

V

z

V

y

V

x

V

y

p

y

z

V

V

y

V

V

x

V

V

t

V

z

V

y

V

x

V

x

p

x

z

V

V

y

V

V

x

V

V

t

V

z

z

z

z

z

y

y

x

x

z

y

y

y

z

z

y

y

x

x

y

x

x

x

z

z

y

y

x

x

x

υ

ρ

υ

ρ

υ

ρ

background image

8 równanie Eulera dla płynu nieściśliwego

ρ=const – płyn nieściśliwy

z

p

F

dt

dV

y

p

F

dt

dV

x

p

F

dt

dV

p

grad

G

dt

dV

z

z

y

y

x

x

=

=

=

=

ρ

ρ

ρ

ρ

1

1

1

1

z równania statyki otrzymujemy

z

p

F

y

p

F

x

p

F

dt

dV

dt

dV

dt

dV

z

y

x

z

y

x

=

=

=

=

=

=

ρ

ρ

ρ

1

0

1

0

1

0

0

siły działające na osi x=y=0  z=-y

0

/

/

1

p

c

k

z

c

yz

p

ydz

p

z

p

y

y

z

p

=

=

+

=

=

=

=

ρ

ρ

ρ

ρ

ρ

p(V)=V

k

+p

0

0

1

0

1

0

1

=

=

=

z

p

y

y

p

x

p

ρ

ρ

ρ

Jest to równanie na ciśnienie w stanie statycznym dla cieczy ρ=const (nieściśliwej)

background image

9 równanie ruchu płynu lepkiego 

W przepływie laminarnym w którym wektor prędkości elementu płynu są względem siebie 
równoległe, zgodnie z hipotezą Newtona, dynamiczny współczynnik lepkości μ jest równy:
μ=σ/(∂v/∂u)                σ-naprężenie sztywne, v-prędkość przepływu 
∂v/∂u – składowa gradientu prędkości w kierunkach prostopadłych do V

Kinetyczny współczynnik lepkości jest równy ilorazowi dynamicznego wsp. lepkości płynu μ 
i jego gęstości ρ    υ=μ/ρ.
Do pomiaru lepkości służą wiskozymetry, lepkościomierze wykorzystujące różnice zjawiska 
fizycznego o przebiegu zbliżonym do zjawiska lepkości. Są to lepkościomierze kapilarne, 
rotacyjne, ultradźwiękowe.
Lepkościomierz Eulera – pomiar lepkości oparty jest na prawie Hagena. Zgodnie z tym 
prawem strumień objętości cieczy w przepływie laminarnym przez kapilarę jest równy.

4

128

d

l

p

Q

=

µ

π

∆p – różnica ciśnień między końcami kapilary
l, d – długość i średnica kapiary
μ – dynamiczny współczynnik lepkości cieczy

Lepkościomierz Höplera – pomiar oparty na prawie Stokena. Kula a gęstości ρ

k

 opada z 

prędkością v w cieczy o ρ

c

 wypełniającej cylinder lepkościomierza poddana jest 

oddziaływaniu sił:
- ciężkości G=(π/6)d

3

y ρ

k

- wyporu   W=(π/6)d

3

y ρ

c

- oporu ośrodka 

Cx

V

d

P

c

2

4

2

2

ρ

π

=

Współczynnik lepkości względnej ε = T/(kγ) ; T-czas wypływu, γ-stała wypływu

Gdy wypadowa tych sił jest równa zero, kulka upada ze stałą prędkością v=const.

Dla G=W+P  wynosi 

Cx

d

k

T

L

v

c

c

=

ρ

ρ

ρ

ρ

0

3

4

Dla Re < Q

2

 siła wyporu wynosi  W=P – 3πμvd

Dla ruchu laminarnego Cx=24/Re    Re=(V

0

dρ

c

)/μ

(

)

(

)

l

T

pd

d

T

l

V

c

k

c

k

18

18

2

2

0

ρ

ρ

µ

µ

ρ

ρ

ρ

=

=

=

Dla zmniejszenia błędu systematycznego wykorzystuje się zależność  μ=(ρ

k

-ρ

c

)k

H

T

T – czas opadania kuli  ;  k

H

 – stała przyrządu

background image

10 Równanie Eulera dla płynu rzeczywistego

Występują siły:

-grawitacyjna 

ds

dz

ydv

ds

dt

s

ρ

σ

α

σ

σ

=

=

=

sin

-wymuszająca ruch 

v

t

v

s

p

dv

dt

dv

+

=

=

)

(

ρ

ρ

-tarcie ρ=τ dv

dv

dv

F

dv

dt

dv

dv

s

p

ds

dz

ydv

z

ρ

ρ

ρ

ρ

ρ

:

/

0

=

+

+

+

0

1

=

+

=

τ

ρ

F

s

p

ds

dz

y

dt

dv

 równanie przepływu jedn. płynu rzeczywistego, gdy

τ

ρ

F

s

p

ds

dz

y

dt

dv

V

dt

dv

+

=

=

=

1

0

dla potencjalnego gazociągu, który nie powoduje zmian prędkości :

0

1

=

+

τ

ρ

F

s

p

ds

dz

y

 dla płynu idealnego F

τ

=0

s

p

G

ds

dv

V

dt

dv

s

=

+

ρ

1

 gdy dv/dt=0 (v grad) v=σ - (1/ρ)grad p

v=const  to     σ - (1/ρ)grad p =0
v=0

   to     σ - (1/ρ)grad p =0

background image

11 Bezwymiarowy współczynnik strat λ

Korzystając z prawa Hagena-Poiseuille
Q=πΔpR

4

/(8μl)

Q=v

śr

*F

v

śr

=Q/F

F=π* R

2

d

l

v

d

d

v

l

v

d

l

v

p

d

v

d

l

v

d

l

v

R

l

v

d

l

v

d

l

v

p

R

p

l

v

R

l

p

R

l

p

v

v

v

l

R

p

R

R

l

p

v

śr

śr

śr

śr

śr

śr

śr

śr

śr

śr

śr

śr

śr

=

=

=

=

=

=

=

=

=

=

=

=

=

=

=

=

Re

2

64

2

64

32

Re

32

)

2

(

8

8

Re

32

)

2

(

8

4

2

8

2

8

8

2

2

2

2

2

2

2

2

2

2

2

max

max

2

2

4

ρ

ρ

ν

ρ

ν

ρ

ν

µ

λ

µ

µ

µ

µ

µ

µ

µ

µ

µ

π

µ

π

Porównując ten wzór ze wzorem na straty Darcy’ego

Re

64

2

Re

2

64

2

2

2

2

=

=

=

λ

ρ

λ

ρ

ρ

λ

śr

śr

śr

v

d

l

d

l

v

v

d

l

p

background image

12 Całka Eulera dla płynu

z

p

G

dt

d

y

p

G

dt

d

x

p

G

dt

d

p

grad

G

dt

v

d

v

v

v

z

y

x

=

=

=

=

ρ

ρ

ρ

ρ

1

1

1

1

Z równania statyki otrzymujemy

dt

d

v

x

=

dt

d

v

y

=

dt

d

v

z

=0

0=

x

p

G

x

ρ

1

   0=

y

p

G

y

ρ

1

0=

z

p

G

z

ρ

1

Działające sily  wzdłuż osi x=y=0   z= - g

0= - g 

z

p

ρ

1

z

p

ρ

1

=g      /*

ρ

g

z

p

=

ρ

Dp= - 

ρ

gdz

Z równania Clapyrona 

g

v

RT

v

p

ρ

=

=

dp= - v dz = -

dz

RT

p

=

/*

RT

dz

p

dp

ln p = - 

c

RT

z

+

               założenia     p = 

p

0

    z = 

z

0

ln p = - 

c

RT

z

+

0

c=ln 

RT

z

p

0

0

+

ln pn= - 

p

RT

z

0

ln

+

+

RT

z

0

ln po =  

RT

z

z

0

=

e

p

p

0

RT

z

z

0

background image

13. 

   Całka i równane Eulera dla cieczy.

 

 

0

0

0

0

1

1

0

,

0

,

0

0

1

0

1

0

1

0

1

1

1

1

z

z

z

y

x

z

y

x

p

p

c

z

p

c

z

p

dz

dp

p

g

dz

g

dp

dz

dp

g

dz

dp

g

dz

dp

g

g

z

y

x

z

p

F

y

p

F

x

p

F

dt

v

dt

v

dt

v

z

p

F

dt

v

y

p

F

dt

v

x

p

F

dt

v

gradp

F

dt

dv

γ

γ

γ

γ

γ

ρ

ρ

ρ

ρ

ρ

ρ

ρ

ρ

ρ

ρ

ρ

ρ

+

+

=

+

=

+

=

=

=

=

=

=

=

=

=

=

=

=

=

=

=

=

=

=

=

=

background image

14. Cisnieniomierze (sonda Prandta)

Ciśnieniomierz tego typu pozwala na pomiar roznicy cisnienia całkowitego i statycznego. 
Różnica  ta jest cisnieniem dynamicznym.

p

v

v

p

v

p

d

v

ρ

ρ

ρ

2

2

2

1

2

1

2

2

2

1

=

=

+

=

+

gestosc

dynamiczne

cisnienie

p

p

p

d

=

ρ

1

2

Manometr naczyniowy z rurka pochyła służy do pomiaru małych wartości roznic cisnienia 
stosuje się miedzy innymi mikromanometry cieczowe z rurka pochyla, protekcyjne , 
mikrometr Betza

Na podstawie wychylenia cieczy manometrycznej l i kata pochylenia rurki alfa można 

określić miarowo przez manometr roznicy cisnien

p

p

2

1

F

F

z

z

F

F

z

z

z

z

z

z

z

z

l

l

ciaglosci

rownania

z

l

z

2

1

1

0

2

1

1

0

0

2

1

0

0

2

)

(

:

sin

=

=

=

+

=

α

Różnica ciśnień: 

(

2

1

gl

z

g

p

c

c

p

p

ρ

ρ

=

=

=

sin

F

F

2

1

)=

ρ

c

ln g

Manometr z U-rurka
Manometr Aslavia słuzy do pomiaru pod i nadcisnien w zakresie do 2006 Re

background image

15 Czas wypływu

v(z) = 

gz

2

dv = F

0

gz

2

dt

dv = F(z)dz
- F(z)dz = μ

0

F

0

 

gz

2

dt

- F(z)dz = μF

0

 

gz

2

dt

dt=-

gz

F

dz

z

F

2

)

(

0

µ

dz

z

z

F

gz

F

t

gz

F

dz

z

F

d

dt

z

z

t

=

=

0

0

0

0

)

(

2

1

2

)

(

µ

µ

Prawo Pascala.
Jeżeli dv/dt=0 to Fx=1/ro*dp/dx; Fy=1/ro*dp/dy; Fz=1/ro*dp/dz
Fxdx+Fydy+Fzdz= 1/ro*(dp/dx*dx+dp/dy*dy+dp/dz*dz)
Fxdx+Fydy+Fzdz=1/ro*dp
Prawa strona równania to pochodna zupełna i aby był warunek 
równania spełniony musi i lewa strona być pochodna zupełną. 
wektorF=grad mi gdzie mi to potencjał wektora F(potencjał 
jednostkowy sil masowych)
Fx=dmi/dx; Fy=dmi/dy; Fz=dmi/dz.
Warunki równania płynu doskonałego dmi=1/ro*dp, ro=const.
Mi=1/ro*p+cosalfa 
Zapis wektorowy   radmi=1/ro gadp
Jeżeli F=0 grad mi=0 to 1/rogradp=0 – Prawo Pascala

.

background image

16 Gęstość

Gęstość jest wielkością fizyczną charakteryzującą wszystkie zależne od masy i objętości. 
Gęstość średnia to stosunek masy i objętości: ρ

śr

=m/V

Gęstość w  punkcie: ρ=dm/dv= lim Δm/ΔV

     

ΔV→Ve

Pomiar gęstości wilgotnego powietrza:
Powietrze zawiera w swym składzie parę wodną. Ilość pary wodnej i jej sprężystośc zależy 
tylko od jej temperatury. Wilgotnością bezwzględną nazywa się ilośc pary wodnej w 
jednostkach masy zawartej w jednostce powietrza [kg/m

3

]

Parametry mieszaniny spełniają zatem równanie Clapeyrona p/ρ =RT gdzie:
p-ciśnienie wilgotnego powietrza
p

s

-ciśnienie suchego powietrza

oraz prawo Daltona b=e

Ps

+e

Pw 

gdzie e

Pw-

ciśnienie pary wodnej w powietrzu wilgotnym

p

s

-ciśnienie suchego powietrza

Gęstość powietrza wilgotnego zależy od temperatury, ciśnienia, wilgotnośći, która wyrażona 
jest przez sprężystość pary wodnej. Gęstość cieczy – pomiar polega na wyrażeniu masy i 
objętości cieczy znajdującej się w piktometrze. Pomiar masy wyznacza się na wadze 
analitycznej, objętość wyznacza się pośrednio poprzez ważenie wody analitycznej o znanej 
gęstości

ρ

ρ

ρ

ρ

ρ

ρ

ρ

ρ

ρ

ρ

ρ

+

=

+

=

+

=

=

=

)

(

0

2

0

2

0

0

0

2

0

0

0

0

1

0

w

w

w

w

m

m

m

m

V

m

m

V

m

m

m

m

V

V

0

-objętość cieczy w pikometrze 

0

ρ

-gęstość badanej cieczy

Gęstość materiału ziarnistego wyznacza się przy pomocy pikometru. Należy zważyć 
dwukrotnie pikometr z próbką ciała rozdrobnionego oraz pikometr z tą samą próbką ciała 
dopełnionego cieczą o znacznej gęstości
m

s

=m

0

+m

p

-V

0

m

w

=m

0

+m

p

-(V

0

- V

p

) ρ

- V

0*

ρ

ρ-gęstość; V

0

- objętość cieczy w pikometrze; m

0

,m

p

-masypikometru pustego, ciała 

rozdrobnionego; ρ

w

gęstość rozdrobnionych ziaren

V

p

- objętość rozdrobnionych ziaren

ρ

ρ

ρ

ρ

ρ

ρ

ρ

ρ

ρ

+

=

=

=

)

(

)

(

)

(

0

0

0

0

s

w

s

w

w

p

w

s

w

s

p

w

s

w

p

m

m

m

m

V

m

m

V

m

m

m

m

m

V

V

p

ρ

- gęstość materiału z którego zbudowane są ziarna ciała rozdrobnionego

background image

17 Kryza zwężka 

Celem jest wyznaczenie zależności liczy przepływu od liczy Reynoldsa (Re) dla zwęzki. 
Wykres α= α(Re) umożliwia wyznaczenie strumienia objętości pynu na podstawie pomiaru 
różnicy ciśnień na kryzie lub dyszy. Zwężka zabudowana w rurociągu powoduje zmniejszenie 
przekroju poprzecznego a tym samym wzrost średniej prędkości przepływu i energii 
kinetycznej oraz spadek ciśnienia.

)

(

2

`

`

4

4

2

1

2

2

2

2

p

p

wpisac

trzeba

d

n

V

d

V

Q

=

=

=

ρ

π

π

ρ

ρ

2

2

2

1

2

1

2

2

p

V

p

V

+

=

+

  - równanie Bernoulliego 

ρ

= const

2

=

v

d

m

 - moduł zwężki

2

=

D

d

n

z

 - stopień przewężenia strumienia

(

)

(

)

y

rzeczywist

plyn

p

p

m

n

V

p

p

m

n

V

m

n

V

D

F

V

V

z

=

=

=





=

2

1

2

2

2

2

1

2

2

2

2

1

2

1

2

1

2

1

1

ρ

ρ

ρ

- płyn idealny

background image

18 Magistrala  dla cieczy    

D

x

p

grad

G

dt

dv

v

2

1

2

=

ρ

Założenia:

const

const

G

const

const

Q

m

=

=

=

=

λ

ρ

0

)

(

;

0

)

(

;

0

=

=

=

x

v

x

v

t

v

ρ

ρ

ρ

x

D

x

D

dx

D

p
p

p

dx

D

dp

dx

D

dp

d

const

Q

dx

D

dp

d

dx

D

dp

dx

dv

S

Q

p

p

S

Q

p

p

S

Q

S

Q

S

Q

Q

S

S

S

v

S

v

S

v

v

x

x

x

2

2

2

0

2

2

2

0

2

2

2

2

2

2

2

2

2

2

2

2

2

2

2

2

2

2

2

2

2

2

2

2

2

2

)

(

1

2

1

/

2

1

2

1

2

1

2

1

2

1

2

1

)

(

0

ρ

ρ

ρ

ρ

ρ

ρ

ρ

ρ

ρ

ρ

λ

λ

ρ

λ

ρ

λ

ρ

λ

ρ

λ

ρ

λ

ρ

=

=

=

=

=

=

=

=

background image

19 Paradoks de’Alamberta

Przy ruchu ciała w płynie doskonały nie powstają żadne siły reakcji. W płynach 
rzeczywistych występują składowa reakcji p

x││

v

 

a w przypadku ciała niesymetrycznego 

występują obie składowe 
p

x││

v

p

y ┴ 

v

p

y

-siła nośna

v

y

=2v

o

sinφ

z równania Bernouliego

ρ

ρ

p

p

p

v

p

v

+

=

+

2

2

2

0

2

0

)

sin

4

1

(

2

)

sin

2

4

(

2

2

2

2

2

2

2

0

0

2

2

0

0

2

0

2

0

2

0

2

0

ϕ

ρ

ϕ

ρ

ρ

ρ

ρ

ρ

=

=

+

=

+

+

=

+

v

p

p

p

v

v

p

p

v

p

v

p

v

p

v

p

p

p

p

p

p

p

background image

20 Porównanie przepływu gazu przez ośrodki porowate.

Prędkość filtracji zgodnie z prawem Darcy (przy przepływie laminarnym) jest 
proporcjonalna do gradientu ciśnienia 

gradp

k

V

µ

=

→

.

k- współczynnik charakteryzujący przepuszczalność ośrodka porowatego, 
zależy od materiału i płynu. 
µ- dynamiczny współczynnik lepkości gazu.
Podczas badania współczynnika filtracji cylindrycznej próbki mnożne różnice 
ciśnienia na zewnątrz i wewnątrz odcinka przewodu porowatego o długości l. 
Jedna część rury jest zamknięta a do drugiej jest podłączony wentylator. Na 
skutek podciśnienia następuje filtracja powietrza przez rurkę porowatą. 
Bezwzględna prędkość filtracji jest więc równa V=k/mi*dp/dt.
Strumień objętości powietrza przepływającego przez powierzchnię zewnętrzną 
rurki o polu jest równy: 

dF

Q

n

V

→

→

=

 gdzie 

 →

v

- wektor prędkości, n – wersom 

normalny.
Q= k/mi*dp/dv*2pi*l*r.
W celu wyznaczenia p=(p(r)) należy rozwiązać otrzymane równanie 
różniczkowe gdy Q=const.
dv/dr= 2pi*l*k/mi*Q*dp
lnr= 2pi*l*k/(mi*Q)*p+c
Równanie musi być spełnione dla wszystkich punktów cylindra porowatego w 
szczególności gdy leżące na powierzchni r=r

lnr

z

=(2pi*l*k/mi*Q)*b+c gdzie b-ciśnienie barometryczne.

Funkcja p(r)ma postać p(r)=b-(mi*Q/2pi*l*k)*ln(r

z

/r).

Wewnątrz rurki (r=r

w

) a cieśninie wynosi p

w

. p(r

w

)=b-(mi*Q/2pi*l*k)*ln(r

z

/r)= 

p

w

)

(

2

ln

w

w

z

p

b

l

r

r

Q

k

=

π

µ

background image

21 Równanie równowagi płynu
Równanie równowagi uwzględnia równowagę sił masowych i sił powierzchniowych. A więc

∫ ∫ ∫

∫ ∫

=

V

A

M

npdA

dV

F

0

ρ

  F

M

 –siły masowe; np- siły powierzchniowe

Przekształcamy całkę powierzchniową na objętościową korzystając z twierdzenia GAUSSA-
OSTROGRADSKIEGO:

(

)

0

0

=

=

=

∫ ∫ ∫

∫ ∫ ∫

∫ ∫ ∫

∫ ∫

∫ ∫ ∫

dV

p

grad

F

dV

p

grad

dV

F

dV

p

grad

npdA

V

M

V

M

V

A

V

ρ

ρ

  

Ze względu na dowolność obszaru całkowania V można zapisać:

z

p

k

y

p

j

x

p

i

p

grad

p

grad

F

M

+

+

=

=

0

ρ

Jest to równanie równowagi płynu w formie różniczkowej. A w układzie współrzędnych 
kartezjańskich ma ono postać.

x,y,z – to składowe siły masowej F

w kierunkach osi x,y,z

Równanie równowagi  wyprowadzone z różniczkowego sześcianu 
dxdydz. Rozpatrzona zostanie równowaga w kierunku osi x, gdzie siła 
powierzchniowa będąca iloczynem ciśnienia i powierzchni na odcinku dx 

rośnie o wielkość pdzdy  do 

dydz

dx

x

p

p

+

   dV=dxdydz

Element płynu dV =dxdydz jest w równowadze  jeżeli rzuty sił na osi x są równe 0

0

0

0

=

+

+

=





+

+

=

+

+

dxdy

dz

z

p

p

pdxdy

dm

z

dxdz

dy

y

p

p

pdxdz

dm

y

dzdy

dx

x

p

p

pdydz

dm

x

Korzystając z faktu że 

dxdydz

dv

dm

ρ

ρ

=

=

dodając stronami trzy składowe można naoisać

(

)

(

)

Zdz

Ydy

Xdx

dp

dz

z

p

dy

y

p

dx

x

p

Zdz

Ydy

Xdx

+

+

=

+

+

=

+

+

ρ

ρ

PRAWO PASCALA
Gdy na płyn nie działają siły masowe lub gdy są one zaniedbywanie małe w stosunku do sił 
powierzchniowych można zapisać warunek F

M

=0 ; a więc i składowe X=Y=Z=0 ZATEM z 

równania EULERA w postaci różniczkowej wynika że grad p = 0 czyli dp = 0 a więc p=const 
jest to matematyczny zapis prawa PASCALA, mówiący że ciśnienie jest stałe w całej objętości

0

1

0

1

0

1

=

=

=

z

p

Z

y

p

Y

x

p

X

ρ

ρ

ρ

background image

22 Prędkość przepływu termoanometru

Prędkość przepływu określa się za pomocą termoanometru. Poszczególne 
punkty pomiarowe wybiera się na przecięciu okręgów o promieniu r

u

 i 

prostopadłych względem siebie średnic:

ρ

m

k

k

R

r

k

2

1

+

+

=

m - liczba pierścieni
k – kolejny numer punktu pomiarowego
R – promień

=

=

=

=

m

i

n

i

i

i

i

N

v

F

F

v

Q

1

1

 

N – liczba punktów pomiarowych 
F – pole przekroju poprzecznego F = пR

2

ΔF

i

 – powierzchnia części przekroju poprzecznego, której odpowiednia 

prędkość odpowiada prędkości v

i

Przy przepływie osiowosymetrycznym, gdy v nie zalezy od kąta kierunkowego

=

=

=

F

p

R

dv

r

v

dr

r

v

vdF

Q

0

0

2

2

)

(

)

(

2

π

π

 

Można także obliczyć energię kinetyczną płynu przypadającego na jednostkę 
czasu, w którym płyn przepływa przez przewód

=

2

2

3

)

(

2

dv

r

v

E

k

π

ρ

Współczynnik Coriolisa (α) to stosunek rzeczywisty energii kinetycznej 
strumienia płynu i energii, jaką miałby strumień płynu gdyby prędkość jego była 
w calymprzekroju równa v

śr

E

k

=mv

śr

/2 = ρv

śr

v/2 = ρFv

śr

3

α = E

k

/ E

k

*

α = E

k

/ E

k

*

*1/( v

śr

3

R

2

)

dr

r

v

R

0

3

3

)

(

background image

23 Rownanie Bernoulliego dla plynu idealnego.

Płyn idealny  v=0 ; 

0

=

dt

dv

        rot

=0    ruch ustalony

Równanie Eullera dla tego płynu 

dt

dv

= G -

ρ

1

grad p

0

=

dt

dv

 =>

z

y

x

t

v

v

v

v

v

v

v

z

z

y

y

x

x

+

+

+

Czyli 

 v(x,y,z)   grad  (

x

v

x

;

y

v

y

;

z

v

z

)

v(grad v)= G -

ρ

1

grad p

v(grad v)= 

v

xrot

v

v

grad

x

2

2

1

v

grad

2

2

1

= G -

ρ

1

grad p

v

grad

2

2

1

- G - G -

ρ

1

grad p =0

G=grad v    -  potencjał sil masowych
 

ρ

1

grad p=grad p      -  cisnienie p  =  

ρ

dp

grad 

0

2

2

=

p

grad

n

grad

v

grad(

2

2

v

+ n +p)= 0           n= -gz      p= const

2

2

v

+ n +p= const

2

2

v

+ gz+ 

const

dp

=

ρ

    -- - dla gazu

2

2

v

+ gz+   

ρ

p

= const    --- dla cieczy

Dla cieczy rzeczywistej

2

2

v

+ gz+   

ρ

p

+

const

h

s

=

Gdzie:

h

s

=

ξ

ε

ε λ

+

background image

24 Rownanie Eulera dla plynu doskonałego   

x,y,z-skladowe Si masowych przypadających na jednostke masy w kierunku osi 
współrzędnych
dm=

dxdydz

ρ

dm—masa elementarnego prostopadłościanu

dxdydz

z

dxdydz

y

dxdydz

x

ρ

ρ

ρ

p+(dp/dz)dz

p+(dp/dz)dx

dydx

dz

z

p

p

dydx

dxdz

dy

y

p

p

dzdx

dydz

dx

x

p

p

dydz

)

(

)

(

)

(

+

+

+

ρ

ρ

ρ

Mnożę siłe składowa z masy elementu z  „-‘’

dt

d

v

x

dxdydz

ρ

dxdydz

dt

d

v

y

ρ

dxdydz

dt

d

v

z

ρ

Gdy układ sil jest w równowadze to zgodnie z zasada De’Alamberta suma rzutow sil = 0

0

0

0

=

=

=

=

=

=

dxdydz

dt

d

dxdydz

z

p

dxdydz

z

dxdydz

dt

d

dxdydz

y

p

dxdydz

y

dxdydz

dt

d

dxdydz

x

p

dxdydz

x

v

v

v

z

y

x

ρ

ρ

ρ

ρ

ρ

ρ

background image

25 Równanie Bernouliego dla jednowymiarowego stacjonarnego przepływu 
strugi.

dv/dt+v*dv/ds=GS-(1/ro)*dp/ds+(lambda*g*v

2

/2D)

Pole grawitacyjne:
v*dv/ds-GS+1/ro*dp/ds+(lambda*g*v

2

/2D)=0

½*dv

2

/ds+g*dz/ds+(lambda*g*v

2

/2D)=0 /*ds.

½ * dv

2

+gdz+dp/ro+( lambda*g*v

2

/2D)*ds=0

0

,

0

0

2

2

0

2

)

2

1

(

2

2

=

=

=

+

+

+

=

+

+

+

v

ds

D

gv

p

gz

v

ds

D

gv

p

gz

v

d

λ

λ

ρ

λ

ρ

v

2

/2+p/ro+gz=const

dla cieczy rzeczywistej
v

2

/2+p/ro+gz+(lambda*g*v

2

/2D)+(ε*v

2

*g/2)=const

dla gazu 
v

2

/2+g*dp/ro+gz=const

pv=(z)RT;  v=1/ro
p/ro=RT(z)

p

RT

p

dpRT

v

const

T

p

p

ln

2

1

0

2

=

=

=

I=p/RT
p=IRT(z)

0

1

ln

2

p

p

RT

v

=

background image

26 Równanie Bernouliego dla płynu idealnego.

V=0
dv/dt=0 – przyśpieszenie lokalne
rotv =0
dv/dt=g=1/ro*▼p
dv/dt=(v*▼)*v=g-(1/ro)* ▼p
Z analizy matematycznej:
(v*▼)=1/2*▼*v

2

+v *rotv

½*▼*v

2

-g-(1/ro) * ▼p=0          g=-▼n

½*▼*v

2

+vn+▼p=0              1/ro▼=▼p

ro=const                      1/ro▼p=▼p/ro
v

2

/2+n+p=const

v

2

/2+n+ p/ro=const

n=g

z

v

2

/2+g

z

+ p/ro=const

Równanie Bernouliego – przemiana gazowa

R – indywidualna stała gazowa

pV=nRT
p/ρ=RT/μ   z tego   ρ=pμ/RT
V=-m/ρ   ;  n=m/μ  ;   R=R

*

M

pm/ρ=m R

*

μT/μ

p/ρ= R

*

T

ρ=p/ R

*

T         / ∫

∫dp/ρ + v

= const

const

v

T

R

d

=

+

2

2

*

ρ

ρ

R

*

T ∫dp/ρ + v

2

/2 = const

R

*

T ln│p│+v

2

/2 = const

background image

27 Równanie ruch płynu doskonałego (równanie Eulera) wyprowadzone z 
równowagi sił

Równanie ruchu płynu doskonałego wynika z zasady zachowania pędu, gdzie 
pochodna płynu zawartego wewnątrz obszaru V względem czasu jest równa 
sumie sił zewnętrznych czyli:

∫ ∫ ∫

∫ ∫

∫ ∫ ∫

+

=

V

A

A

M

V

dA

P

dV

F

dV

dt

dV

ρ

ρ

Stosując twierdzenie GAUSSA-OSTROGRADSKIEGO i pamiętając, że p

A=

-

n*p otrzymujemy:

∫ ∫ ∫

∫ ∫ ∫

∫ ∫ ∫

+

V

V

M

V

gradp

dV

F

dV

dt

dV

ρ

ρ

dV=0

(

)

0

=

+

∫ ∫ ∫

dV

gradp

F

dt

dV

M

V

ρ

ρ

Ze względu na dowolność obszaru całkowania V dla każdego elementu dv 
funkcja podcałkowa musi się zerować. Otrzymujemy więc:

gradp

F

dt

dV

M

ρ

1

=

Równanie płynu doskonałego lub równanie Eulera okresla zasadę zachowania 

pędu gdyż wystarczy rozdzielić różniczki dV/dt i pomnożyć je przez masę a 
otrzymam równanie pędu w klasycznej postaci. Równanie to można przedstawić 
w zapisie skalarnym w następujący sposób:

z

p

Z

dt

dV

y

p

Y

dt

dVy

x

p

X

dt

dV

Z

X

=

=

=

ρ

ρ

ρ

1

1

1

background image

28 Równanie Bernouliego wyprowadzone z równania Eulera 

W celu wyprowadzenia równania Bernouliego z całki równania Eulera zależy 
uzyskać związek algebraiczny pomiędzy prędkością przepływu płynu, a jego 
ciśnieniem. Jest to możliwe w przypadku ruchu ustalonego, potencjalnego dla 
płynu o stałej gęstości 

const

=

ρ

.

Należy przekształcić całkę Eulera do postaci w której wystąpi rotacja prędkości 
(rot v). rozważamy składowe substancjalne dla kierunku X

(

)

rotV

V

V

x

t

V

V

rot

V

V

rot

V

V

x

dt

V

x

V

z

V

V

y

V

x

V

V

x

V

V

x

V

V

x

V

V

t

V

dt

dV

x

V

V

x

V

V

x

V

V

x

V

V

z

V

V

y

V

V

x

V

V

t

V

dt

dV

X

X

Y

z

z

Y

Z

Z

X

Z

X

Y

Y

Z

Z

Y

Y

X

X

X

X

Z

Z

Z

Z

Y

Y

Y

Y

X

Z

X

Y

X

X

X

X





+

=





+

=

+





+

+

+

=

+

+

+

+

+

=

2

2

2

2

Ostatnią część powyższych obliczeń można zapisać dla kierunków Y i Z w taki 
sam sposób. Można więc zapisać równanie wektorowe

rotV

V

V

grad

t

V

dt

dV

×





+

=

2

2

Po podstawieniu otrzymamy

gradp

F

rotV

V

V

grad

dt

dV

M

ρ

1

2

2

=

×





+

Jest to równanie w formie Lambra-Gromek

background image

29 Równanie Bernoulliego dla płynu ściśliwego (dwuwymiarowego).

dy

dy

p

Fydy

Vydy

y

Vx

Vxdy

x

Vy

dx

dx

p

Fxdx

Vydy

y

Vy

Vxdx

x

Vx

t

Vy

t

Vx

dy

dy

p

Fy

Vy

y

Vy

Vx

x

Vy

t

Vy

dx

dx

p

Fx

Vy

y

Vx

Vx

x

Vx

t

Vx

=

+

=

+

=

=

=

+

+

=

+

+

ρ

ρ

ρ

ρ

1

1

0

;

0

/

1

/

1

Przepływ stacjonarny- przepływ po liniach prędkości
Vxdy=Vydx

dy

dy

p

Fydy

Vydy

y

Vy

Vxdx

x

Vy

dx

dx

p

Fxdx

Vxdy

y

Vx

Vxdx

x

Vx

=

+

=

+

ρ

ρ

1

1

Po dodaniu stronami tych dwóch równań otrzymujemy:

z

g

n

const

p

n

v

p

n

v

d

dp

du

dv

du

F

dp

F

dv

dy

y

p

dx

x

p

Fydy

Fxdx

dVy

dVx

dy

dy

p

Fydy

dy

y

Vy

dx

x

Vy

dx

dx

p

Fxdx

dy

y

Vy

dx

x

Vx

=

=

+

+

=

+

+

=

+

+

=

=

+

+

=

+

=

+

=

+

ρ

ρ

ρ

ρ

ρ

ρ

ρ

1

2

0

)

1

2

1

(

0

1

2

1

1

2

1

)

(

1

2

1

2

1

1

2

1

2

1

1

2

1

2

1

2

2

2

2

2

2

2

2

2

2

Poprzez powyższe przekształcenia dochodzimy do równania Bernoulliego mającego w tym 
przypadku postac:

const

g

p

v

z

=

+

+

ρ

2

2

background image

30 Równ. Bernoulliego dla przepływu stacjonarnego płynu nieściśliwego.

ρ =const

ds

dp

G

t

v

ρ

1

=

-równanie Eulera

t

v

= (ΰ*▼)*ΰ= G - 

ds

dp

ρ

1

t

v

=0

ds

dp

=▼p

(ΰ*▼)*ΰ=1/2▼V

2

 + V x rot ΰ

rot ΰ = 0
przepływ bezwymiarowy
1/2▼V

= G – 1/

ρ

▼p

G = -g

2

1/2▼V

2 = 

▼V – 1/

ρ

▼p

V

2

/2 = – 1/

ρ

p – g

2

V

2

/2 + g

z

 +p/

ρ

 /:

ρ

gV

2

/2 + g

z

 + p/V = const

t

v

=G-1/

ρ

gradp

t

v

=G-1/

ρ

ds

dp

t

v

=(ΰ*▼)*ΰ=G-1/

ρ

ds

dp

t

v

=0

ds

dp

=▼p

(ΰ*▼)*ΰ=1/2▼V

2

 + V x rot ΰ

rot ΰ = 0
1/2▼V

= G – 1/

ρ

▼p

G-g

z

G=▼V

▼V

2

/2 = ▼V-1/

ρ

▼p

▼V

2

/2=▼(V-1/

ρ

p)

V

2

/2 V-p/

ρ

☻☻☻

background image

31 Równanie Bernoulliego –przeniana adiabatyczna

Przyjmujemy związek miedzy cisnieniem i gęstością dla przemiany 
adiabatycznej odpowiadającej z dostatecznym przybliżeniem niektórym 
zjawiskom zachodzącym przy przepływie gazow 

const

p

dp

y

otrzymujem

i

c

const

p

p

+

=

=

=

γ

γ

γ

γ

ρ

ρ

γ

γ

1

:

lub

Po podstawieniu do równania Bernoulliego otrzymujemy równanie w 
przemianie adiabatycznej wzdłuż strumienia :

+

2

2

v

γ

γ

1

γ

p

= const

+

g

v

2

2

γ

γ

1

γ

p

= const

Rozwiązując strumien gazu można napisac row. Bernoulliego dla dwoch 
przekrojow w postaci 

ρ

γ

ρ

γ

γ

γ

2

2

1

2

2

2

1

1

2

1

2

2

p

v

p

v

+

=

+

background image

32 Równanie Eulera dla płynu ściśliwego

Siły ściskające pochodzą od pozostałych części płynu.
Założenia:
1) zasada de’Alamberta εF

i

=0; 

F

c

=F+G

2) G0

 τ 0

∫ ∫

=

=

σ

τ

σ

τ

ρ

0

1

lim

0

pnd

dt

dV

g

F

wiadomo, że
pn= cos(sinx)p+jcos(n,y)p+kcos(u,ε)p
z tw. Gaussa:

lim

∫ ∫

=

σ

τ

σ

τ

x

p

x

u

g

)

,

cos(

1

τ0

p

z

p

k

y

p

j

x

p

i

gradp

pnd

=

+

+

=

=

∫ ∫

σ

σ

τ

1

lim

Równanie ma postać

gradp

F

dt

dv

gradp

dt

dv

F

ρ

ρ

ρ

1

0

=

=

ruch płynu doskonałego

Równanie Eulera dla trzech osi (x,y,z)

z

p

F

v

z

v

v

y

v

v

x

v

t

v

y

p

F

v

z

v

v

y

v

v

x

v

t

v

x

p

F

v

z

v

v

y

v

v

x

v

t

v

x

z

y

z

z

z

z

x

y

z

y

y

y

y

z

x

y

x

x

x

x

=

+

+

+

=

+

+

+

=

+

+

+

ρ

ρ

ρ

1

1

1

F

x

,F

y

,F

– jednostkowe siły masowe działające wzdłuż osi x,y,z 

Równanie Eulera dla płynu doskonałego

τ

ρ

+

=

gradp

F

dt

dv

1

 

background image

33 Równanie przepływu dla strugi

Struga jest to zespol lini pradu wypełniający rurke
S- droga plynu ,   v—droga prędkości przepływu ,   F – pole przekroju 
poprzecznego
 v(s,t)=

)

(

)

,

(

s

F

t

s

v

vdF=dv   / *

ρ

=

=

=

S

S

S

vF

F

vF

vF

dF

dF

dF

S

S

dt

d

dv

dt

d

S

S

v

v

v

n

m

s

v

2

1

1

2

1

2

1

)

(

ρ

ρ

ρ

ρ

ρ

ρ

0

0

)

(

)

(

0

)

(

)

(

2

1

=

+

+

=

+

+

+

=

+

=

+

s

p

vF

ds

dv

F

s

F

v

t

F

t

F

S

vF

t

F

S

S

ds

S

vF

t

F

ρ

ρ

ρ

ρ

ρ

ρ

ρ

ρ

background image

34 Równanie równowagi płyny:

W cieczy znajdującej się w spoczynku wyznaczamy sześcian o krawędziach dx, dy, dz 
równoległych do odpowiednich osi układu współrzędnych. Na sześcian działają następujące 
siły:
- powierzchniowe normalne;
- masowe;
Ciśnienie p znajduje się w punkcie M będącym środkiem sześcianach prostopadłych do osi x 
odległych o -1/2dx i 1/2dx wynoszą:

dx

x

p

p

p

=

2

1

1

i

dx

x

p

p

p

+

=

2

1

2

Natomiast siły powierzchniowe wynoszą:

dydz

x

p

p

x

dp

)

2

1

(

)

(

1

=

dydz

x

p

p

x

dp

)

2

1

(

)

(

2

+

=

Siły masowe działające na sześcian otrzymujemy przez przemnożenie jednostkowej siły 
masowej x, y, z przez masę elementu.
dF

x

 = ρ

x

dxdydz

dF

y

 = ρ

y

dxdydz

dF

z

 = ρ

z

dxdydz

Z warunków równowagi wynika, że suma sił działających na element (powierzchniowych 
powierzchniowych masowych) na dowolnie wybrany kierunek musi być równa zero. 
Wyprowadzenie jest takie samo na każdą oś x, y, z. 
Wyprowadzenie na oś x:

0

0

)

2

1

(

)

2

1

(

=

+

=

+

+

x

x

x

p

dxdydz

dydz

dx

x

p

p

dydz

dx

x

p

p

ρ

ρ

Wyliczamy analogicznie równanie na osi y i z

0

=

+

y

y

p

ρ

i

0

=

+

z

z

p

ρ

z

p

y

p

x

p

z

y

x

=

=

=

ρ

ρ

ρ

 

układ równania różniczkowego Eulera 

Po przemnożeniu przez dx, dy, dz i dodając

dz

z

p

dy

y

p

dx

x

p

zdz

ydy

xdx

+

+

=

+

+

)

(

ρ

różniczka zupełna ciśnienia

)

(

zdz

ydy

xdx

dp

+

+

=

ρ

równanie równowagi płynu

background image

35 Równ. różniczkowe ciągłości dla ruchu płynu ścisliwego – równanie Eulera dla gazu

ρ(x,y,z,t)

0

x

V

V

x

x

=

)

(

ρ

ρ

W kierunku osi x wpływa w czasie dt do elementarnego sześcianu masa płynu 

dydzdt

dx

x

V

V

x

x

)

)

(

(

+

ρ

ρ

  . Dla tego przypadku czas lub przyrost czasu równy jest: 

dxdydzdt

x

V

x

)

(

ρ

dxdydzdt

y

V

y

)

(

ρ

dxdydzdt

z

V

z

)

(

ρ

Całkowity przyrost masy płynu w danym elemencie wynosi:

dxdydzdt

z

v

y

v

x

v

x

x

x

]

)

(

)

(

)

(

[

+

+

ρ

ρ

ρ

jeżeli dana gęstość ρ(x,y,z,t) tyle wynosiła w czasie t

0

, a w czasie t+dt gęstość będzie równa

ρ(x,y,z,t+dt)= ρ+dp/dt

Masa płynu też ulegnie zmianie od p dx dy dz dt do wartości 

dxdydzdt

dt

t

)

(

+

ρ

ρ

 

W czasie t+dt przyrost masy będzie wynosił 

dxdydzdt

t

ρ

Wobec tego: 

dxdydzdt

dt

dxdydzdt

z

V

y

V

x

V

z

y

x

ρ

ρ

ρ

ρ

=

+

+

]

)

(

)

(

)

(

[

 

albo 

0

]

)

(

)

(

)

(

[

=

+

+

+

z

V

y

V

y

V

t

z

y

x

ρ

ρ

ρ

ρ

 

background image

36 Różniczkowe równanie ruchu Eulera
Aby wyznaczyć równanie obieramy powierzchnie kontrolną S obejmującą V płynu na taką 
powierzchnie działaja siły zewnętrzne masowe i powierzchniowe z których wyznaczamy 
równanie. Siły powierzchniowe to siły wywierane z zewnątrz przez płyn otaczający 
powierzchnie kontrolną S. Siły ściskające:

∫ ∫

=

S

pnds

N

    n - normalna zewnętrzna siły o zwrocie”+”

Siły masowe są to siły równomiernie rozłożone w płynie jednorodnym

∫ ∫ ∫

=

V

GdV

M

ρ

   G – jednostkowa siła masowa

Prąd elementarny masowy dm wynosi 

VdV

ρ

Prąd całkowity układu wynosi

∫ ∫ ∫

V

VdV

ρ

Z II zasady dynamiki Netona, która mówi, że pochodna pędu układu względem czasu równa 
jest wektorowi głównemu sił zewnętrznych działających na układ
F

zew

=M+N

∫ ∫

∫ ∫ ∫

∫ ∫ ∫

∫ ∫

∫ ∫ ∫

∫ ∫ ∫

∫ ∫ ∫

=

+

=

=

S

V

V

S

V

V

V

zew

pnds

GdV

dV

dt

dV

pnds

GdV

VdV

dt

d

VdV

dt

d

F

ρ

ρ

ρ

ρ

ρ

)

(

Z tw. Gaussa zmieniamy całkę powierzchniową na objętościową

0

0

)

(

0

)

(

)

(

=

+

=

+

=

+

=

+

+

=

=

∫ ∫ ∫

∫ ∫ ∫

∫ ∫ ∫

∫ ∫ ∫

∫ ∫ ∫

∫ ∫ ∫

∫ ∫ ∫

∫ ∫ ∫

gradp

G

dt

dV

dv

gradp

G

dt

dV

gradpdV

GdV

dV

dt

dV

gradpdV

dV

z

p

k

y

p

j

x

p

i

dV

pn

div

ndS

V

V

V

V

V

V

V

V

ρ

ρ

ρ

ρ

ρ

ρ

ρ

Równanie Eulera w kierunku osi x,y,z

gradp

G

dt

dV

gradp

G

dt

dV

gradp

G

dt

dV

z

z

y

y

x

x

ρ

ρ

ρ

1

1

1

=

=

=

z

z

y

z

x

z

x

z

z

y

y

y

x

y

y

y

z

x

y

x

x

x

x

x

V

z

V

V

y

V

V

x

V

t

V

gradp

G

V

z

V

V

y

V

V

x

V

t

V

gradp

G

V

z

V

V

y

V

V

x

V

t

V

gradp

G

+

+

+

=

+

+

+

=

+

+

+

=

ρ

ρ

ρ

1

1

1

Równanie Eulera dla płynu doskonałegow przepływie nieustalonym

background image

37 Srumień objetości powietrza. Wyznaczenie współczynnika Corriolosa.

Określenie rozkładu prędkości polega na przyporządkowaniu wartości prędkości każdemu 
punktowi tego przekroju. W przewodzie o przekroju kołowym poszczególne punkty można 
wybrać na pięciu okręgach o promieniu r

i prostopadłych względem siebie średnic. Strumień 

objętość przepływu wynosi.

i

i

n

i

F

V

Q

=

=

1

             n- liczba punktów powłokowych

V

– prędkość zmienna w tej części przekroju ;

F

i

 – powierzchnia przekroju

Przy przepływie osiowo symetrycznym  gdy prędkość przepływu nie zależy od kata 
kierunkowego pomiaru prędkości upraszcza się, strumień objętości wynosi:

=

=

=

F

R

R

dV

r

V

dV

r

V

r

VdF

Q

0

2

2

0

)

(

)

(

2

π

π

Elementarna energia kinetyczna płynu o stałej gęstości ρ przepływającego w jednostce czasu 

przez przekrój przewodu o powierzchni F jest równa: 

dF

V

dV

V

dm

V

dE

k

2

2

2

2

2

2

ρ

ρ

=

Gdzie : dm – elementarna masa ; dV – elementarna objętość płynu przepływającego przez 
powierzchnię dF w jednostce czasu.

Skąd : 

=

F

K

dF

F

V

E

)

(

2

3

ρ

 dla przekroju kołowego: 

=

K

E

2

2

0

3

)

(

2

dV

r

V

R

π ρ

Współczynnik Corriolliossa 

α

nazywamy stosunek energii kinetycznej strumienia płynu do 

energii jaką miałby ten strumień  gdyby jego prędkość w całym przekroju  była równa 

prędkości średniej 

'

K

K

E

E

=

α

 . Energia kinetyczna płynu pomniejszającego się w całym 

przekroju z prędkością v

Śr

 przypadając na jednostke czasu jest równa:

2

2

2

2

2

2

'

ρ

ŚR

ŚR

ŚR

ŚR

K

Fv

v

v

mv

E

=

=

 dlatego dla przewodu kołowego: 

=

=

R

Śr

K

K

dr

r

v

R

V

E

E

0

2

3

2

'

)

(

1

α

background image

38 Stosunek prędkości średniej do max. 

Cel ćwiczenia określa Vśr/Vmax przy przepływie płynu przez 
przewód w zależności od liczby Reynoldsa. W ćwiczeniu bada się 
przepływ powietrza przez przewód o przekroju kołowym. Założenia: 
płyn lepki nieściśliwy, przepływ ustalony, przewód kołowy o średnicy 
D. Układ współrzędnych taki, że pokrywa się z osią przewodu. 
Równanie Novera-Stokesa dla ruchu laminarnego: 
1/ro*dp/dt=ni*(d

2

v/dr

2

+1/r*dv/dt) gdzie p-ciśnienie, ro- gęstość, ni- 

kinematyczny współczynnik lepkości. dp/dz = -deltap/l=const. Delta 
p- różnica ciśnień miedzy przekrojami odległymi od siebie o l.

1.

-1/ro*deltap/l=ni(d

2

v/dr

2

+1/r*dv/dr)

2. -1/ro*deltap/l=ni*1/r*dv/dr*(r*dv/dr)+1
Po scałkowaniu mamy: 3.   -1/ro*deltap/l*r

2

/4=ni(v(r)+c

1

*r+c

2

) gdy 

v=R- v=0 –prędkość na powierzchni kontaktu z ciałem stałym. 
v(r)= delta*R

2

/4*(1-(r

2

/R

2

)) z czego wynika że 

v

max

=v(r=0)=(delta*R

2

)/4mi

Q=całka v

d

*F=2pi*calka v(r)dr=pi/8*(lambda*p*k

4

)/(mi*l) gdzie 

mi to dynamiczny współczynnik lepkośći.
V

śr

=Q/F=(deltap*R

2

)/(8mi*l), V

śr

= ½*v

max

 – w ruchu.

W przepływie turbulentnym prędkość nieznacznie maleje w 
podstawowym rdzeniu strumienia płynu i szybko maleje przy 
ścianach.  

background image

39 Współczynnik oporu liniowego 
Podczas przepływu płynu przez występują straty ciśnienia na oporach 
zwanych lokalnymi, poprzez co występują zmiany kierunków oraz 
modułów wektorów prędkości. Występujące zawirowania powodują 
większe straty od strat występujących podczas przepływu przez 
odcinek prostoliniowy. Występują one na skutek nagłego zwężenia i 
rozszerzenia przewodu o stałej średnicy, zakrzywienia przewodu, 
konfuzora (stożkowy). Strat na oporze liniowym 

]

/

[

2

2

2

mm

n

v

p

ρ

ξ

=

    

(Re)

ξ

ξ

=

ξ

-bezwzględny współ. oporu 

odniesiony do prędkości za przeszkoda zależy od kształtu elementu 
wywierającego opór, prędkość przepływu gęstości, lepkości płynu. W 
przepływie laminarnym ρ maleje ze wzrostem Re. Natomiast przy 
przepływie turbulentnym ξ jest wartością stałą.
Stała ciśnienia przy oporze
-liniowym 

]

/

[

2

2

2

Pa

m

N

v

l

p

=

=

ρ

λ

-lokalnym 

]

[

2

2

Pa

v

p

m

=

ρ

ξ

Zmiana ciśnienia związana jest także ze zmiany energi 

ρ

α

α

2

2

2

2

2

1

1

v

v

p

=

   [Pa]   

2

1

,

α

α

 - współczynniki Coriollosa   

v

v

– średnie prędkości

background image

40 Wzór Hagena Passenielle’a.

)

(

128

lub

8

4

1

2

)

4

1

2

1

(

2

2

/

)

4

1

2

1

(

2

)

4

1

(

2

2

)

(

4

2

2

)

(

4

)

(

4

2

2

1

4

4

4

4

4

0

2

2

2

4

0

2

2

0

2

0

2

2

0

2

2

2

2

p

p

l

d

Q

R

l

p

Q

R

l

p

Q

R

R

l

p

Q

R

d

r

r

R

l

p

Q

r

rdr

R

l

p

Q

dr

r

rdr

R

l

p

Q

rdr

r

R

l

p

Q

rdr

r

R

l

p

Q

r

R

l

p

V

rdr

ds

ds

V

Q

R

R

R

R

R

x

x

=

=

=

=

=

=

=

=

=

=

=

=

=

µ

π

µ

π

µ

π

µ

π

µ

π

µ

π

µ

π

µ

π

π

µ

µ

π