MECHANIKA PŁYNÓW LABORATORIUM

Transkrypt

1 MECHANIKA PŁYNÓW LABORATORIUM Ćwiczenie nr 2 Wyznaczanie współczynnika oporów liniowych i współczynnika strat miejscowych w ruchu turbulentnym. Celem ćwiczenia jest zapoznanie się z laboratoryjną metoą wyznaczenia wartości współczynników oporów liniowych oraz współczynnika strat miejscowych w ruchu turbulentnym. 1. Część teoretyczna 1.1. Straty wysokości ciśnienia w przewoach prostoosiowych (liniowe). Straty energii mechanicznej wywołane oporami przy przepływie wzłuż ocinka przewou, noszą nazwę oporów liniowych lub oporów na ługości. Wysokość strat opisuje równanie Darcy-Weisbacha: gzie: 2 l v h [2.1] 2g Δh - wysokość straty ciśnienia piezometrycznego; [m H 2 O], λ - współczynnik oporów liniowych (liniowych oporów tarcia); [-], l - ługość przewou; [m], - śrenica wewnętrzna przewou; [m], v - śrenia prękość przepływu cieczy w przekroju poprzecznym ; [m/s], g - przyśpieszenie ziemskie; 9,81 [m/s 2 ]. Współczynnik strat liniowych λ uzależniony jest o wóch parametrów: liczby Reynolsa Re oraz chropowatości wzglęnej przewou e, która jest parametrem bezwymiarowym. Chropowatość wzglęna efiniowana jest jako: gzie: k - chropowatość (zastępcza chropowatość piaskowa); [m]. k e [2.2] Chropowatość k utożsamiana jest ze śrenią wysokością nierówności na wewnętrznej powierzchni rury, precyzyjnie należałoby ją określić jako miarę rzeczywistego "stanu powierzchni" przewou wynikającego nie tylko z wielkości ale również rozmieszczenia nierówności wynikających z materiału przewou, nagromazonych osaów, ale również nieokłaności kołowego kształtu przewou, strat miejscowych na połączeniach rur wynikających z technologii montażu itp. Liczba Reynolsa: v Re [2.3] 1

2 gzie: ν kinematyczny współczynnik lepkości; [m 2 /s]. Dla izotermicznych przepływów turbulentnych mających praktyczne znaczenie w przewoach woociągowych (la Re > 4000) przepływ może obywać się w trzech strefach: A - strefie przewoów hyraulicznie głakich, λ = f(re), B - strefie przejściowej (o zmiennej chropowatości), λ = f(re, e), C - strefie kwaratowej zależności oporów, λ = f(e). Zależność λ = f(re, e) obrazuje rysunek 2, bęący wygoną metoą wyznaczania współczynnika oporów liniowych. 2

3 Rys.2 Zależność współczynnika oporów liniowych λ o liczby Reynolsa i chropowatości wzglęnej 3

4 PN-76/M Rurociągi. Zasay obliczeń strat ciśnienia. Zaleca la wszystkich stref wyznaczanie współczynnika oporów liniowych λ ze wzoru Colebrooka-White'a: 1.2. Obliczanie strat miejscowych 2 2,51 e 2log [2.4] Re 3,72 Miejscowe straty energii mechanicznej w rurociągach, są to straty wywołane różnego rozaju przeszkoami umieszczonymi w przewoach. Wysokość strat miejscowych opisuje równanie: gzie: 2 v h [2.5] 2g Δh - wysokość strat energii mechanicznej; [m], ζ - współczynnik strat miejscowych, obliczany la prękości za stratą miejscową; [-], v - śrenia prękość przepływu w przewozie; [m/s] Wartości współczynników miejscowych powinny być określane oświaczalnie na postawie pomiarów. W tabeli 1 przestawiono orientacyjne wartości współczynników oporów miejscowych. Tabela 1. Współczynniki oporów lokalnych 4

5 c. tabeli 1 5

6 c. tabeli 1 6

7 Dla kolan giętych wykonanych z rur chropowatych wg PN-76/M wartość współczynnika wynosi: R 0 α 1,5 R 180 gzie: [2.6] T C M R T 0,0175 [2.7] M 0,21A [2.8] R A wg zestawienia: α 70º 90º 100º A 0,9sinα 1,0 0,7+0,35α/90 C wg zestawienia: Re < Re < < Re < Re e 0,001 64λgłakie 64λgłakie (1+e ) 1+e e > 0,001 64λgłakie 128 λgłakie 2 2. Opis stanowiska baawczego 2.1. Zestaw o baań y x Oznaczenia: 1 zbiornik, 2 zawór, 3 wakuometr, 4 pompa, 5 manometr, 6 miernik natężenia przepływu, 7 ocinek baanego przewou, 8 baane kolano (poziome), 9 U- rurki. 7

8 W skła stanowiska pomiarowego wchozą oatkowo: - rurociąg pomiarowy, złożony z ocinków przewoów wykonanych z PCV (Polichlorek winylu) oraz PLEXI, połączonych szeregiem różnoronych kształtek (kolanek, zmian śrenic rury, złączek), - zestaw 9 U-rurek pomiarowych, połączonych w charakterystycznych punktach przewou i umieszczonych na zbiorczej tablicy ułatwiającej oczyt, - przepływomierz, umożliwiający pomiar objętości przepływającej cieczy, - zawór regulacyjny, pozwalający na regulację natężenia przepływu przez rurociąg, - pompa z falownikiem, umożliwiająca regulację ilości obrotów oraz pracę systemu w ukłazie zamkniętym. 3. Część oświaczalna 3.1 Przebieg ćwiczenia Wykonać pomiar ługości l baanego ocinka przewou i geometrii baanego kolana. Uruchomić pompę, regulując natężenie przepływu Q zaworem 2 i okonać oczytu różnicy poziomów x i y w ramionach u-rurek. U-rurki wypełnione są czterochlorkiem węgla CCl 4 o gęstości 1630 kg/m 3. Obliczone wartości współczynnika oporów liniowych i współczynnika straty miejscowej porównać z wartościami wg PN-76/M W tym celu należy wykonać pomiar temperatury woy niezbęny o określenia gęstości woy oraz kinematycznego współczynnika lepkości, chropowatość bezwzglęną przyjąć k = 0,05 mm. 3.2 Czynności o wykonania 1. Uruchomić pompę oraz otworzyć zawór regulacyjny na końcu rurociągu i ustalić minimalny przepływ, przy którym możliwe jest oczytanie różnić poziomów zwierciaeł czterochlorku węgla CCl 4 zabarwionego joem w U-rurkach. 2. Zwiększać stopniowo przepływ na zaworze regulacyjnym (otwarty obieg cyrkulacyjny pompy. 3. Wartość różnicy poziomów w U-rurkach oczytywać każorazowo la anego, ustalonego przepływu. 4. Dokonywać oczytów z przepływomierza. 5. Gy zawór regulacyjny zostanie maksymalnie otwarty, zwiększenie przepływu uzyskać poprzez zamykanie zasuwy na obiegu cyrkulacyjnym pompy. 6. Charakterystykę pompy (ilość obrotów) ustala prowazący zajęcia, tak aby uniknąć sytuacji, w której wypłukany zostanie CCl 4 z U-rurek. 7. Zmierzyć temperaturę woy w celu wyznaczenia kinematycznego współczynnika lepkości, ynamicznego współczynnika lepkości oraz liczby Reynolsa. 3.3 Obliczenia Dla zmierzonej temperatury woy wartości H2O i oczytać z tabel otrzymanych o prowazącego ćwiczenia. Wartości obliczyć na postawie przekształconego równania (2.1), gzie na postawie równania Bernoulliego: p 1 h [2.9] H2O 8

9 p 1 różnica ciśnień na początku i końcu ocinka przewou o ługości l wyznaczyć z równania: p x ( ) [2.10] 1 CCl 4 H2O Wartości obliczyć z równania (2.5), przy czym: p 2 h [2.11] H2O p 2 różnica ciśnień na początku i końcu kolana: 4. Zawartość sprawozania Lp. p y( ) [2.12] 2 CCl 4 H2O 1. Cel i zakres ćwiczenia. 2. Opis oświaczenia. 3. Schemat stanowiska pomiarowego. 4. Wyniki pomiarów i obliczeń. 5. Przykła obliczeniowy z przeliczeniem jenostek. 6. Zestawienie tabelaryczne wyników w tabeli wg schematu T [C] H2O [kg/m 3 ] [m 2 /s] Q [m 3 /s] x [mm] p 1 [Pa] [-] teor [-] y [mm] Wnioski otyczące uzyskanych wartości współczynników oporów liniowych oraz lokalnych na tle wartości teoretycznych współczynników oporu, poprawności wykonania ćwiczenia, czynników wpływających na wynik ćwiczenia, spostrzeżeń własnych stuenta. [-] teor [-] 9