background image

      

1. Rodzaje ciśnień. 

absolutne

 ( 

 

), całkowite ciśnienie, pod którego działaniem znajdują się czynniki 

atmosferyczne

 (barometryczne  

 

) – wywołane ciężarem słupa powietrza atmosfery ziemskiej  

manometryczne

 (nadciśnienie lub podciśnienie  

 

)  - stanowiące różnicę pomiędzy ciśnieniem absolutnym i 

atmosferycznym, 
               
 

 

 

 nadciśnienie  

 

 

 

 podciśnienie  

 

 

 

W przypadku gdy czynnik porusza się, rozróżniamy: 

statyczne

 ( 

 

) – wskazywałby manometr poruszający się z prędkością czynnika 

dynamiczne 

 

) – przyrost ciśnienia jaki by nastąpił gdyby adiabatycznie odwracalnie zahamować czynnik do 

prędkości równej zero 

całkowite

 ( 

 

) – suma ciśnienia statycznego i dynamicznego  

 

   

 

   

 

 

 

W cieczach mamy do czynienia z ciśnieniem 

hydrostatycznym

 ( 

 

), wywołane ciężarem słupa cieczy.  

 

   

 
 

 

         

 

                    

 

 

 

            

 

 

2. Własności cieczy newtonowskich. 

Ciecze Newtonowskie to takie, które zachowują sie zgodnie z hipotezą Newtonowska (są to gazy oraz ciecze o 

niewielkich gęstościach np. woda). Mówi ona mianowicie. ze "wartość siły stycznej    przeciwdziałającej 
prostopadłemu odkształceniu elementarnego prostopadłościanu wynosi 

      

  

  

  

"; 

Gdzie:  

  

  

 - 

gradient prędkości 

   – odległość dwóch sąsiednich warstw o powierzchni    

   

  

  

   

  

  

 – 

naprężenia styczne proporcjonalne do współczynnika lepkości dynamicznej  

Dodatkowo: 

Płyny, dla których jest słuszny wzór Newtona, nazywają się płynami newtonowskimi. Ze wzrostem ciśnienia 

lepkość dynamiczna cieczy i gazów rośnie (wyraźne zmiany występują przy zmianach ciśnienia rzędu 

kilkudziesięciu atmosfer), natomiast ze wzrostem temperatury lepkość cieczy maleje, a gazów rośnie 
(znajomość lepkości cieczy — np. smarów, olejów — i jej zależność od temperatury ma podstawowe znaczenie 

w wielu zagadnieniach techniki). W płynach newtonowskich (np. woda, roztwory org., sole i szkła w stanie 

płynnym) µ nie zależy od prędkości przepływu ani od jej gradientu. 

 

3. Siła wyporu. Kryteria pływalności ciał stałych zanurzonych w cieczy.  

Całkowity napór cieczy na zanurzone w niej ciało nazywamy wyporem – W.  

 

                  

 

Powyższy wzór stanowi treść prawa Archimedesa, które można sformułować następująco: na ciało zanurzone w 

cieczy działa pionowo w górę wypór, równy ciężarowi cieczy wypartej przez to ciało.  

 

background image

Możemy wyróżnić trzy przypadki pływania ciał: 

a)        – ciało pływa częściowo zanurzone w cieczy 

b)        – ciało tonie 

c)        – ciało jest całkowicie zanurzone i pozostaje w stanie równowagi przy dowolnym zanurzeniu  

 

** Warunek równowagi dla ciał zanurzonych w cieczy ma postać: 

 

      

 

         

 

   

  

      

 

Gdzie:  
 

 

 = objętość ciała zanurzonego 

 = objętość ciała 
 

 

=gęstość cieczy 

 = średnia gęstość  
 

Jeśli: 
     

 

        

 

  - ciało jest całkowicie zanurzone  

     

 

       

 

  - ciało tonie  

     

 

 - ciało unosi się do góry, aż do momentu gdy zajdzie warunek równowagi      

 

   

 

   , przy czym  

 

   , 

ciało pływa wówczas częściowo zanurzone.  

Powyższy warunek równowagi muszą spełnić wszystkie okręty nawodne. Różnica objętości       

 

  nosi nazwę 

zaporu wyporności

.  

 

4. Obliczanie sił wyporu hydrostatycznego na ściany płaskie. Paradoks hydrostatyczny. 

- Napór na ściany płaskie, poziome, np. na dno szklanki.

  

Napór na płaską ścianę poziomą o polu A, położoną a głębokości z, pod zwierciadłem cieczy wynosi                 
  i równa się ciężarowi słupa cieczy, którego podstawą jest rozpatrywana powierzchnia, a wysokością głębokość 
z.  

Z tego wynika, że napór na dno naczynia nie zależy od kształtu naczynia, ani od ilości zawartej w nim cieczy, 

ale wyłącznie od gęstości cieczy  , głębokości dna z i pola powierzchni tego dna A.  
Twierdzenie to nazywamy 

paradoksem hydrostatycznym. (Twierdzenie Stevina) 

 

- Napór na ściany płaskie dowolnie zorientowane, np. ściany boczne naczyń.

  

Napór na ścianę płaską dowolnie zorientowaną jest równy ciężarowi słupa cieczy, którego podstawa jest dana 

ściana, a wysokością głębokość zanurzenia geometrycznego środka ciężkości tej ściany  

 

.  

                   

 

  

(ponieważ ciśnienie hydrostatyczne zwiększa się wraz z głębokością, to środek naporu hydrostatycznego 

znajduje się zawsze głębiej niż środek ciężkości tej ściany).  

 

5. Równanie ciągłości.  

Równanie ciągłości przedstawia równość wydatków objętościowych, masowych lub ciężarowych w obranych 

przekrojach. Dla jednowymiarowego przepływu płynu doskonałego równanie to można zapisać w takiej postaci: 

 

     

 

   

 

   

 

   

 

   ;          

 

 

 

  

 
 

 

6. Równanie Bernoulliego dla cieczy doskonałej.  

Założenia przy wyprowadzaniu równania Bernoulliego: 

- ruch jest ustalony i ciągły 

- ciecz jest idealna, tj. lepka i nieściśliwa 

- na ciecz nie działają inne siły masowe oprócz siły ciążenia 

- przyspieszenie ziemskie jest stałe i wektory przyspieszenia ziemskiego są względem siebie równoległe  

- rozpatrujemy tylko jedną strugę 
 

background image

Równanie Bernoulliego:

 

 

 

 

  

 

 

  

            

 

 

 

Gdzie: 

 

 

  

 = wysokość prędkości  

 

 

  

 

= wysokość ciśnienia 

 

 

 = wysokość położenia  

 

Równanie Bernoulliego zapisane dla dwóch dowolnych przekrojów strumienia ma postać: 
 

 

 

 

  

 

 

 

  

   

 

 

 

 

 

  

 

 

 

  

   

 

 

 

Gdzie: 

 

 

   

 

 - ciśnienie statyczne w przekrojach 1-1, 2-2, 

 

 

   

 

 - prędkości średnie w obu przekrojach, 

 

 

   

 

 

- odległość środka przekroju od poziomu odniesienia. 

 

7. Reakcje przepływów cieczy rzeczywistych. Krytyczna liczba Reynoldsa. 

Doświadczenie Reynoldsa. 

 

Rodzaj przepływu określa się w oparciu o wartość tzw. 

Liczby Reynoldsa

 Re: 

 

    

  

 

 

Gdzie: 

 

 - prędkość charakterystyczna płynu 

 

 - lepkość kinematyczna płynu 

d – wymiar charakterystyczny zagadnienia 

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

3D. Z turbulencją jest tzw. lepkość turbulentu.  

Liczba Reynoldsa przy której zachodzi zmiana rodzaju ruchu, nosi nazwę 

liczby krytycznej R

. Jest to wartość 

absolutna (ścisła). 

Szereg czynników ubocznych ma wpływ na jej wartość, np.: 

- wlot do przewodu 

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

Często mówimy o dolnej i górnej liczbie Reynoldsa: 

-wartość poniżej której nie udało się zaobserwować ruchu burzliwego jako trwałego 

            

- wartość powyżej której nie udało się zaobserwować przepływu laminarnego 

Generalnie, przejście z przepływu laminarnego w turbulentny odbywa się przy większej liczbie Reynoldsa, z 

turbulentnego w laminarny przy mniejszej liczbie Reynoldsa.  

 

Re < 2300 – przepływ laminarny (uporządkowany, warstwowy, stabilny) 

background image

2300 < Re < 10000 – przepływ przejściowy (częściowo turbulentny) 

Re > 10000 – przepływ turbulentny (burzliwy) 

 

 
8. Charakterystyka rurociągu.  

 

  

   

    

   

   

    

   

   

    

 

 

    

 

 

  

 

 

Gdzie:

 

   

  

  

 

 

 

- charakterystyka rurociągu: 

 

  

   

    

 

 

        

  

  

 

 

 

 

 

  

    

 

 

 

- Oporność hydrauliczna rurociągu: 

 

      

 

 

      

 

  

 

 

 

 

background image

1. Jednostki ciśnienia.  

           

 

 

paskal  

        

 

   

 

  megapaskal  

        

 

   

 

  bar   

    

atmosfera fizyczna  

              

atmosfera techniczna  

            

milimetr słupa rtęci = Tor  

      

milimetr słupa wody  

 

2. Charakterystyka cieczy nienewtonowskich. Współczynnik lepkości. 

Ciecze nienewtonowskie są to ciecze, których krzywe płynięcia nie są liniami prostymi. Ich lepkość często jest 

nazywana lepkością pozorną lub strukturalną.  
Ciecze nienewtonowskie można podzielić na trzy zasadnicze grupy: 

- ciecze, których własności reologiczne nie zmieniają się w czasie (prędkość ścinania jest funkcją naprężenia 

ścinającego;  

- ciecze, których własności reologiczne zmieniają się w czasie (prędkość ścinania jest funkcją naprężenia 

ścinającego i czasu);  

- ciecze lepko- sprężyste, wykazujące oprócz własności lepkościowych i efekty sprężyste. 

 

3. Prawo Archimedesa. Kryteria stateczności ciał pływających (częściowo zanurzonych).  

Ciało pływające (częściowo zanurzone) będzie znajdowało się w stanie równowagi statecznej, jeśli wychylone z 
położenia równowagi na skutek działania chwilowego momentu zewnętrznego powróci do położenia 

pierwotnego.  

Jeśli założy się, że ciężar ciała nie ulega zmianie, to po wychyleniu ciała z położenia równowagi, linia działania 

siły wyporu nie pokrywa się z linią działania siły ciężkości. Pojawia się moment, który może przeciwdziałać 

dalszemu wychyleniu (ciało stateczne) lub pogłębiać to wychylenie (ciało niestateczne).  

Moment ten nosi nazwę momentu prostującego i wynosi: 

 

 

 

       

 

   

 

                           

 

gdzie: 

l

 – ramię prostujące 

Punkt nazywamy metacentrum, punkt ten, gdy dąży do położenia. Odległość tego punktu od wysokości 

położenia środka ciężkości nosi nazwę wysokości metacentrycznej i jest miarą stateczności ciała pływającego.  

Wysokość metacentryczną wyraża się zależnością: 

 

 

 

   

 

   

 

             

 

   

 

   

 

   

 

    

 

gdzie:  

 

 

 

 

 

 

 

 

promień

 

metacentryczny  

 

 

 

moment bezwładności

  

 

 

 

objętość ciała zanurzonego

 

 

 

 

wysokość położenia środka ciężkości

 

 

 

  

wysokość położenia środka wyporu

  

 

Jeśli: 

 

 

    

– ciało jest stateczne

 

 

 

    - 

ciało jest niestateczne 

 

4. Obliczanie sił naporu hydrostatycznego na ściany zakrzywione (powierzchnie dowolne).  

- Napór na ściany zakrzywione (pow. dowolne).

 

Napór na ścianę zakrzywioną wyraża się, obliczając dwie składowe: poziomą i pionową naporu na tę 

powierzchnię.  

background image

- składowa pozioma naporu  

 

, na zakrzywioną powierzchnię w dowolnym, poziomym kierunku jest równa 

naporowi na rzut tej powierzchni na płaszczyznę prostopadłą do rozpatrywanego kierunku (patrz obliczenia sił 

naporu na ściany płaskie).  

Linia działania naporu poziomego przechodzi przez środek naporu rzutu rozważanej powierzchni . 

- składowa pionowa naporu  

 

, jest równa ciężarowi ‘bryły ciekłej’ ograniczonej daną powierzchnią pionowymi 

tworzącymi, poprowadzonymi przez jej kontur i zwierciadłem cieczy. Linie działania naporu pionowego 

przechodzą przez środek ciężkości ‘bryły ciekłej’. 

Napór wypadkowy jest sumą geometryczną naporu poziomego i pionowego.  

      

 

 

   

 

 

 

 

 

5. Zasada zachowania pędu. Przykłady zastosowania. 

Równanie Naviera – Stokesa  

Dla płynów rzeczywistych, przy uwzględnieniu lepkości dynamicznej o współczynniku μ wektora, postać 

równania zachowania pędu może być zapisana w formie: 

 

   

  

 

  

                

 

      

 
 

        

               

 

 

gdzie:  

   

jest tensorem jednostkowym 

 

 

 

jest tensorem deformacji 

 

 

Zasada zachowania pędu wykorzystywana jest dla określenia reakcji ścian przewodu na przepływającą ciecz, 
reakcji cieczy wypływającej ze zbiornika, reakcji strumienia przepływającego przez dyszę (np. w silniku 
odrzutowym) oraz reakcji cieczy na elementy maszyn przepływowych.  

6. Równanie Bernoulliego dla cieczy rzeczywistych.  

Równanie Daniela Bernoulliego dla rzeczywistego płynu (newtonowskiego) przy uwzględnieniu strat przepływu 

wzdłuż linii prądu ma postać: 

 

 

 

 

  

 

 

 

 

   

 

 

 

 

 

  

 

 

 

 

   

 

     

   

 

gdzie: 

 

   

 

jest stratą przepływu, wyróżniając straty liniowe i lokalne.  

 

Energia kinetyczna przepływu zwana wysokością rozporządzalną jest określona zależnością: 

     

 

 

  

 

 
 

    

gdzie: 

  

 - jest współczynnikiem Coriolisa, określonym wzorem: 

 

   

   

 

  

 

  

 

 

 

Jeśli ciecz lepka płynie rurociągiem (przewodem)  to narastają straty przepływu wynikające z konieczności 
pokonania sił stycznych. Występują zatem straty energii, które objawiają się spadkami ciśnienia wzdłuż drogi 
przepływu, nie spada natomiast prędkość cieczy w rurociągu (pęd przepływającej cieczy). Potwierdza to 
doświadczenie pokazane na rysunku: 

background image

 

7. Straty przepływu.  
W przewodzie rurowym występują straty przepływu zwane tarciem hydraulicznym lub stratami ciągłymi oraz 

straty w połączeniach przewodów. Straty energii dla rur o przekroju kołowym dla laminarnego przepływu w 

rurze są opisane wzorem Darcy’ego: 

 

      

   

     

 

 

 

 

  

 

  

 

gdzie   jest współczynnikiem strat ciągłych zależnym od liczby Reynoldsa R

i od chropowatości wewnętrznych 

ścian przewodu. Liczbę Reynoldsa dla przewodu o przekroju kołowym wyznacza się ze wzoru: 

 

    

 

  

 

 

 

 

gdzie: 
gdzie 

 

 jest lepkością kinematyczną płynu 

   

 

 

, gdzie 

 

 lepkość dynamiczna.  

Dodatkowo z wykładu: 

  

– dla innych przepływów – turbulentnych wyznacza się doświadczalnie lub zakładając określony model 

turbulencji.  

         

, kształtu stanu powierzchni 

 

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

zależność: 

 

   

      

 

 

  

 

Gdzie: 

 

  -  

współ. Strat lokalnych, miejscowych

  

Określa się go na podstawie badań lub w oparciu o analizę przepływu nielepkiego. Stary lokalne związane ze 

zmianą geometrii przewodu (rozszerzenie, przewężenie), kierunku przepływu, zaburzeniami związanymi z 

armaturą (zawory, kryzy, zasuwy), rozgałęzienia przewodów, itp.  

Współczynnik start dla przepływu turbulentnego:  

 

 

  

         

     

  

 

 

         

  

 
 
8. Charakterystyka układu pompowego. (rura + pompa =układ pompowy) 
1. 

  

   

      

 

2. Punkt pracy układu pompowego.      
3.