background image

1. Jakie podstawowe właściwości odróżniają płyny od ciał stałych?

Ciała stałe przenoszą obciążenia zewnętrzne w taki sposób, że ulegają deformacji tak długo 
jak długo działa siła, po ustąpieniu siły powracają do stanu poprzedniego (o ile nie 
przekroczono granicy plastyczności) 

Płyny pod działaniem obciążenia zewnętrznego ulegają ciągłemu odkształceniu i nie 
powracają do stanu poprzedniego po ustąpieniu siły 

Płyny nie mają „własnego” kształtu tak jak ciała stałe – przyjmują kształt naczynia w 
którym są umieszczone, przy czym gazy wypełniają całe naczynie, a ciecze tworzą 
swobodne powierzchnie, oddzielające je od gazów lub próżni. 

2. W jakich warunkach płyn pozostaje w stanie równowagi?

Płyn jest w równowadze pod działaniem danych sił zewnętrznych jeżeli siły działające na każdą 
dowolnie ograniczona jego część tworzą układ wektorów równoważny zeru. 

Warunki równowagi płynu:
     Jednostkowa siła masowa: 

ijk= x , y , z 

     Gęstość: 

=

x , y , z

Warunki równowagi elementu płynu: 

 dxdydz pdydz− p

∂ p

∂ x

dx  dydz=0

 dxdydz pdxdz− p

∂ p

∂ y

dy dxdz=0

 dxdydz pdxdy− p

∂ p

∂ z

dz  dxdy=0

stąd otrzymujemy: 

=

1

∂ p

∂ x

y=

1

∂ p

∂ y

=

1

∂ p

∂ z

Co prowadzi do podstawowego w hydrostatyce Równanie Eulera:

=

1

rot p

lub w postaci różniczkowej:

XdxYdyZdz =

dp

jeżeli pole sił masowych ma potencjał U, czyli: 

=−grad U

to otrzymamy: 

dU =

dp

 i po scałkowaniu: 

p=− C

Stała całkowania może być wyznaczona ze znanego ciśnienia i potencjału sił masowych w 
określonym punkcie obszaru płynu. 

3. Od jakich wielkości zależy napór hydrostatyczny na płaską ścianę zbiornika wypełnionego 

cieczą? 

Napór całkowity na ścianę płaską: 

P= g

S

n zdS = 

n

S

zdS = n z

C

S

gdzie: 

z

C

 - zanurzenie środka geometrycznego ściany S 

Wniosek:
Napór hydrostatyczny na ścianę płaską o dowolnym konturze i dowolnie nachyloną do poziomu jest 
równy (co do modułu) ciężarowi słupa cieczy o podstawie równej polu S i wysokości 
równej zanurzeniu jej środka geometrycznego pod swobodną powierzchnią. 

Napór na ścianę o dowolnym kształcie:
Rzut naporu na dowolny kierunek poziomy jest równy naporowi całkowitemu wywieranemu na 

background image

ścianę płaską której pole jest równe rzutowi pola ściany zakrzywionej na płaszczyznę pionową 
prostopadłą do danego kierunku. 

Rzut naporu na kierunek pionowy jest równy ciężarowi słupa cieczy zawartego pomiędzy ścianą S a 
jej rzutem na swobodną powierzchnię. 

4. Czym różni się ruch ogólny płynu od ruchu ogólnego ciała sztywnego?

Ruch ogólny ciała sztywnego można przedstawić jako sumę przemieszczenia liniowego i obrotu. 
Ponieważ płyny nie mają sztywności postaciowej, w ruchu płynu dochodzi dodatkowo do 
odkształcenia elementu płynu. 

Ruch ogólny elementu płynu można więc traktować jako superpozycję 
przemieszczenia liniowego (translacji), obrotu względem chwilowego bieguna 
oraz odkształcenia (deformacji), które z kolei można podzielić na liniowe 
(objętościowe) i kątowe (postaciowe). 

5. Przedstaw równanie zachowania masy w przepływie płynu nieściśliwego przez rurociąg o 

zmiennym przekroju 

Prawo zachowania masy: w zamkniętym układzie fizycznym masa nie może powstać ani nie może 
ulec anihilacji. 

 u S =const

, gdzie 

−średnia gęstość uśrednia prędkość płynu

Wnioski: 

w ustalonym przepływie płynu ściśliwego natężenie przepływu masy (strumień masy) przez 
każdy poprzeczny przekrój rurki prądu jest stałe

w ustalonym przepływie płynu nieściśliwego objętościowe natężenie przepływu (strumień 
objętości) jest stałe, czyli prędkość przepływu jest odwrotnie proporcjonalna do pola 
przekroju rurki prądu. 

6. Jaką zasadę fizyczną opisuje równanie Naviera-Stokesa?

Podstawienie zależności wynikających z modelu płynu Newtona do równania zachowania pędu 
daje równanie znane jako równanie Naviera-Stokesa. 
(Płyn Newtonowski – nieściśliwy płyn lepki.)

Du

D t

= 

− gradp grad  divudiv 2 [ D]

ABDE

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 

7. Napisz równanie Bernoulliego i przedstaw interpretację fizyczną jego wyrazów.

Założenia: 

-przepływ jest stacjonarny

∂ t

=

0

-plyn jest nielepki 

=

0

-płyn jest barotropowy 

=

p

-pole sił masowych jest potencjalne 

=−grad 

background image

Przy takich założeniach można scałkować równanie Eulera: 

Du

Dt

= 

− grad p

Otrzymujemy: 

grad [

u

2

2

 p]=grad E=rot u×u

Wyrażenie w nawiasie nazywamy trójmianem Bernoulliego. Można wykazać stałość tego trójmianu 
w pięciu przypadkach:

1) wzdłuż linii prądu
2) wzdłuż linii wirowej
3) w przepływie bezwirowym
4) w przypadku hydrostatycznym
5) w przepływie śrubowym

Równanie Bernoulliego:

gz

p

u

2

2

=

const

lub

p

g

u

2

2g

=

const

 Suma energii potencjalnej pola sił masowych, energii ciśnienia oraz energii kinetycznej płynu jest 
stała. 

lub: 

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. 

8. Przedstaw interpretację fizyczną następujących kryteriów podobieństwa przepływów: liczby 

Strouhala, liczby Eulera, liczby Froude,a i liczby Reynoldsa. 

Shliczba Strouhala

Sh=

l

tu

=

t

c

t

t

c

 - czas charakterystyczny przepływu (czyli czas pokonania przez płyn charakterystycznego 

wymiaru liniowego l – np. długości rurociągu, z prędkością charakterystyczną u) 
 t - czas zmienności niestacjonarnych warunków przepływu, np. długość cyklu pracy pompy 
tłokowej 
Mała wartość liczby Strouhala w danym przepływie oznacza, że niestacjonarne zjawiska w tym 
przepływie są mało istotne i mogą być pominięte. 

Frliczba Froude ' a

Fr 

2

=

u

2

fl

Liczba Froude’a wyraża stosunek sił bezwładności do sił masowych 

Euliczba Eulera

Eu=

p

u

2

Liczba Eulera wyraża stosunek sił ciśnienia do sił bezwładności 

ℜ=

u l

=

ul

Liczba Reynoldsa wyraża stosunek sił bezwładności do sił lepkości .

Ecliczba Eckerta

Ec=

u

2

cT

Liczba Eckerta wyraża stosunek energii kinetycznej makroskopowego ruchu płynu do energii ruchu 

background image

molekularnego (energii wewnętrznej) płynu. 

Prliczba Prandtla

Pr =

 Liczba Prandtla wyraża stosunek intensywności transportu pędu płynu do intensywności transportu 
energii płynu 
Liczba Prandtla jest jedyną liczbą kryterialną składającą się tylko ze 
stałych materiałowych. 

9. Scharakteryzuj przepływy laminarne i przepływy turbulentne.

Przy niskich wartościach liczby Reynoldsa, czyli przy relatywnie dużych siłach lepkości, przepływ 
ma charakter uporządkowany – elementy płynu poruszają się po torach równoległych i nie dochodzi 
do ich wzajemnego mieszania się. Przepływ taki nazywamy laminarnym czyli uwarstwionym.
Powyżej pewnej wartości liczby Reynoldsa (zwanej dolną liczbą krytyczną), na skutek rosnącej roli 
sił bezwładności przepływ taki traci stateczność i pojawiają się w nim zaburzenia charakteryzujące 
się stochastycznymi fluktuacjami prędkości.
Przy dalszym wzroście liczby Reynoldsa (powyżej tzw. górnej wartości krytycznej) zaburzenia 
obejmują cały przepływ, który wtedy jest nazywany turbulentnym. 

Przepływ laminarny – uporządkowany ruch płynu po torach równoległych, elementy płynu nie 
mieszają się ze sobą, działa czysto lepkościowy mechanizm wymiany pędu i energii 
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. 

10. Co to jest warstwa przyścienna? W jakich warunkach może dojść do oderwania warstwy 

przyściennej? 

Warstwa przyścienna jest to część obszaru przepływu bezpośrednio sąsiadująca z powierzchnią 
opływanego ciała. W warstwie przyściennej znaczącą rolę odgrywają siły lepkości i występują tam 
znaczne poprzeczne gradienty prędkości przepływu. Poza warstwą przyścienną przepływ może być 
praktycznie uważany za nielepki. Za opływanym ciałem warstwa przechodzi w tzw. ślad. 
Umowną grubość warstwy 

 określa osiągnięcie prędkości 

u=0,99 u

Wystąpienie dodatniego gradientu ciśnienia wzdłuż warstwy przyściennej (czyli wzrostu ciśnienia 
w kierunku przepływu), może prowadzić do tzw. oderwania warstwy przyściennej. 

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. Maszyny i urządzenia przepływowe powinny być projektowane w taki 
sposób, aby unikać oderwania przepływu przynajmniej w ich projektowych warunkach 
pracy.

11. Na czym polega zjawisko kawitacji i w jakich warunkach może wystąpić?

Kawitacja jest to zjawisko dynamicznego wzrostu i zaniku pęcherzy parowo-gazowych w cieczy, 
wywołane zmianami ciśnienia przy stałej temperaturze. 
Parametrem opisującym podobieństwo zjawisk kawitacyjnych jest liczba kawitacyjna σ

=

p− p

v

1
2

U

2

, gdzie 

p

v

- ciśnienie krytyczne pary wodnej (ok. 2000 Pa)

Uproszczony warunek kawitacji: 

p p

v

Zapoczątkowanie kawitacji polega na destabilizacji mikropęcherzyków stanowiących naturalną 

background image

zawartość cieczy .
Formy kawitacji:

kawitacja laminarna

kawitacja pęcherzykowa

kawitacja wirowa

kawitacja chmurzasta

12. Co to są przepływy potencjalne i jak mogą być modelowane matematycznie?

Jeżeli przepływ płynu jest bezwirowy, czyli wszędzie lub prawie wszędzie w polu przepływu jest 
rotu = 0 to oznacza, że istnieje funkcja skalarna φ (x, y, z ) , taka że u = gradφ . Przepływ taki 
nazywamy przepływem potencjalnym, a funkcję φ nazywamy potencjałem prędkości. 

∂ p

∂ t

div u=0  divgrad =

2

∂ x

2

2

∂ y

2

2

∂ z

2

=

0

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. 

Elementarne przepływy potencjalne:

przepływ jednorodny

źródło (dodatnie lub ujemne)

źródło podwójne (dipol)

wir (jedyny niesymetryczny przepływ elementarny!)

13. W jaki sposób uwzględniane są straty energii płynu w równaniu Bernoulliego opisującym 

rzeczywisty przepływ płynu lepkiego przez rurociąg? 

u

1

2

2g

p

1

g

z

1

=

u

2

2

2g

p

2

g

z

2

h

s

=

=const

h

s

wysokość strat

Wysokość strat możemy podzielić na dwa składniki: 

wysokość strat liniowych związanych z tarciem płynu o ścianki przewodu prostoliniowego o 
stałym przekroju

wysokość strat lokalnych związanych z obecnością zaworów, kolan, zwężeń, rozgałęzień i 
innych elementów. 

Straty liniowe:

h

s

=

u

2

2g

l

d

=

64

dla przepływy laminarnego

=

0,3164

4

dla przepływu turbulentnego

Straty lokalne:

h

s

=

u

1

2

2

=

'

u

2

2

2