J. Szantyr Wyklad nr 6 Przepływy laminarne i turbulentne

Podobne dokumenty
J. Szantyr Wykład 4 Podstawy teorii przepływów turbulentnych Zjawisko występowania dwóch różnych rodzajów przepływów, czyli laminarnego i

J. Szantyr Wykład nr 19 Warstwy przyścienne i ślady 1

J. Szantyr Wykład nr 20 Warstwy przyścienne i ślady 2

. Cel ćwiczenia Celem ćwiczenia jest porównanie na drodze obserwacji wizualnej przepływu laminarnego i turbulentnego, oraz wyznaczenie krytycznej licz

OPŁYW PROFILU. Ciała opływane. profile lotnicze łopatki. Rys. 1. Podział ciał opływanych pod względem aerodynamicznym

WYKŁAD 8B PRZEPŁYWY CIECZY LEPKIEJ W RUROCIĄGACH

LABORATORIUM - TRANSPORT CIEPŁA I MASY II

PŁYN Y RZECZYWISTE Przepływy rzeczywiste różnią się od przepływów idealnych obecnością tarcia (lepkości): przepływy laminarne/warstwowe - różnią się

Prędkości cieczy w rurce są odwrotnie proporcjonalne do powierzchni przekrojów rurki.

WYDZIAŁ LABORATORIUM FIZYCZNE

POLITECHNIKA ŚWIĘTOKRZYSKA w Kielcach WYDZIAŁ MECHATRONIKI I BUDOWY MASZYN KATEDRA URZĄDZEŃ MECHATRONICZNYCH LABORATORIUM FIZYKI INSTRUKCJA

Ćwiczenia 05. Sylwester Arabas (ćwiczenia do wykładu prof. Szymona Malinowskiego) 9. listopada 2010 r.

Laboratorium komputerowe z wybranych zagadnień mechaniki płynów

POLITECHNIKA WROCŁAWSKA, INSTYTUT INŻYNIERII BIOMEDYCZNEJ I POMIAROWEJ LABORATORIUM POMIARÓW WIELKOŚCI NIEELEKTRYCZNYCH I-21

J. Szantyr Wykład nr 27 Przepływy w kanałach otwartych I

Mechanika płynów : laboratorium / Jerzy Sawicki. Bydgoszcz, Spis treści. Wykaz waŝniejszych oznaczeń 8 Przedmowa

Dwurównaniowe domknięcie turbulentnego strumienia ciepła

WYZNACZANIE WSPÓŁCZYNNIKA LEPKOŚCI CIECZY NA PODSTAWIE PRAWA STOKESA

Polska gola! czyli. Fizyk komputerowy gra w piłkę. Sławomir Kulesza

Laboratorium. Hydrostatyczne Układy Napędowe

PROFIL PRĘDKOŚCI W RURZE PROSTOLINIOWEJ

Instrukcja stanowiskowa

Laboratorium komputerowe z wybranych zagadnień mechaniki płynów

dn dt C= d ( pv ) = d dt dt (nrt )= kt Przepływ gazu Pompowanie przez przewód o przewodności G zbiornik przewód pompa C A , p 1 , S , p 2 , S E C B

Badania charakterystyki sprawności cieplnej kolektorów słonecznych płaskich o zmniejszonej średnicy kanałów roboczych

Parametry układu pompowego oraz jego bilans energetyczny

Modele matematyczne procesów, podobieństwo i zmiana skali

LABORATORIUM MECHANIKI PŁYNÓW

Transport masy w ośrodkach porowatych

ZAKŁAD POJAZDÓW SAMOCHODOWYCH I SILNIKÓW SPALINOWYCH ZPSiSS WYDZIAŁ BUDOWY MASZYN I LOTNICTWA

Nadprzewodniki. W takich materiałach kiedy nastąpi przepływ prądu może on płynąć nawet bez przyłożonego napięcia przez długi czas! )Ba 2. Tl 0.2.

Hydrodynamika przepływy turbulentne

Celem ćwiczenia jest eksperymentalne określenie rozkładu ciśnienia na powierzchni walca kołowego oraz obliczenie jego współczynnika oporu.

Metoda elementów skończonych-projekt

Bryła sztywna Zadanie domowe

Ćwiczenie 2: Wyznaczanie gęstości i lepkości płynów nieniutonowskich

Nieustalony wypływ cieczy ze zbiornika przewodami o różnej średnicy i długości

Wyznaczanie modułu Younga metodą strzałki ugięcia

Aerodynamika I Efekty lepkie w przepływach ściśliwych.

J. Szantyr Wykład nr 18 Podstawy teorii płatów nośnych Płaty nośne są ważnymi elementami wielu wytworów współczesnej techniki.

Konwekcja - opisanie zagadnienia.

Bryła sztywna. Wstęp do Fizyki I (B+C) Wykład XIX: Prawa ruchu Moment bezwładności Energia ruchu obrotowego

Politechnika Gdańska

INSTYTUT INŻYNIERII ŚRODOWISKA ZAKŁAD GEOINŻYNIERII I REKULTYWACJI ĆWICZENIE NR 4 OKREŚLENIE WSPÓŁCZYNNIKA STRAT LOEKALNYCH

WOJSKOWA AKADEMIA TECHNICZNA Wydział Mechaniczny Katedra Pojazdów Mechanicznych i Transportu LABORATORIUM TERMODYNAMIKI TECHNICZNEJ

Podstawy Procesów i Konstrukcji Inżynierskich. Dynamika

Hydrostatyczne Układy Napędowe Laboratorium

WPŁYW POWŁOKI POWIERZCHNI WEWNĘTRZNEJ RUR PRZEWODOWYCH NA EKSPLOATACJĘ RUROCIĄGU. Przygotował: Dr inż. Marian Mikoś

Podstawowe przypadki (stany) obciążenia elementów : 1. Rozciąganie lub ściskanie 2. Zginanie 3. Skręcanie 4. Ścinanie

WYMIANA CIEPŁA i WYMIENNIKI CIEPŁA

Jan A. Szantyr tel

Jan A. Szantyr tel

18. Siły bezwładności Siła bezwładności w ruchu postępowych Siła odśrodkowa bezwładności Siła Coriolisa

Projekt z przedmiotu Metoda Elementów Skończonych

J. Szantyr Wykład nr 17 Przepływy w kanałach otwartych

MECHANIKA PŁYNÓW Płyn

Nazwisko i imię: Zespół: Data: Ćwiczenie nr 13: Współczynnik lepkości

Bryła sztywna. Fizyka I (B+C) Wykład XXI: Statyka Prawa ruchu Moment bezwładności Energia ruchu obrotowego

Fizyka w sporcie Aerodynamika

J. Szantyr Wykład 2 - Podstawy teorii wirnikowych maszyn przepływowych

STATYKA I DYNAMIKA PŁYNÓW (CIECZE I GAZY)

WYKŁAD 11 POMPY I UKŁADY POMPOWE

J. Szantyr Wykład 10 Stan naprężenia w płynie

Przedmowa Przewodność cieplna Pole temperaturowe Gradient temperatury Prawo Fourier a...15

12 K A TEDRA FIZYKI STOSOWANEJ P R A C O W N I A F I Z Y K I

Termodynamika. Część 12. Procesy transportu. Janusz Brzychczyk, Instytut Fizyki UJ

J. Szantyr - Wykład 13 Podstawy teoretyczne i modelowanie turbulencji

WYZNACZANIE WSPÓŁCZYNNIKA LEPKOŚCI CIECZY NA PODSTAWIE PRAWA STOKESA

Analiza wymiarowa jest działem matematyki stosowanej, którego zadaniem jest wyznaczenie, poprawnej pod względem wymiarowym, postaci wzorów fizycznych.

WSPÓŁCZYNNIK PRZEJMOWANIA CIEPŁA PRZEZ KONWEKCJĘ

FLOW CONTROL. Międzyuczelniane Inżynierskie Warsztaty Lotnicze Bezmiechowa września Andrzej Krzysiak[1]

WYDZIAŁ PPT / KATEDRA INŻYNIERII BIOMEDYCZNE D-1 LABORATORIUM Z MIERNICTWA I AUTOMATYKI Ćwiczenie nr 11. Pomiar przepływu (zwężka)

3 Podstawy teorii drgań układów o skupionych masach

Czym jest prąd elektryczny

Występują dwa zasadnicze rodzaje skraplania: skraplanie kroplowe oraz skraplanie błonkowe.

Pomiar rozkładu ciśnień na modelu samochodu

WYZNACZENIE WSPÓŁCZYNNIKA OPORU LINIOWEGO PRZEPŁYWU LAMINARNEGO

HYDRODYNAMIKA PRZEPŁYWÓW USTALONYCH PRZEZ KANAŁY PROSTE

Ćwiczenie N 13 ROZKŁAD CIŚNIENIA WZDŁUś ZWĘśKI VENTURIEGO

ZBIORNIK Z WRZĄCĄ CIECZĄ

Opory ruchu. Fizyka I (B+C) Wykład XII: Tarcie. Ruch w ośrodku

LABORATORIUM MECHANIKI PŁYNÓW

POMIAR NATĘŻENIA PRZEPŁYWU

Bryła sztywna. Fizyka I (B+C) Wykład XXIII: Przypomnienie: statyka

Rozdział 22 Pole elektryczne

Wnikanie ciepła przy konwekcji swobodnej. 1. Wstęp

Projekt Inżynier mechanik zawód z przyszłością współfinansowany ze środków Unii Europejskiej w ramach Europejskiego Funduszu Społecznego

POLITECHNIKA CZĘSTOCHOWSKA. Poszukiwanie optymalnej średnicy rurociągu oraz grubości izolacji

ciąg podciśnienie wywołane róŝnicą ciśnień hydrostatycznych zamkniętego słupa gazu oraz otaczającego powietrza atmosferycznego

WYZNACZANIE LICZBY REYNOLDSA W POMIARACH REOMETRYCZNYCH. Arkadiusz Kloziński, Tomasz Sterzyński

PF11- Dynamika bryły sztywnej.

INSTYTUT INŻYNIERII ŚRODOWISKA ZAKŁAD GEOINŻYNIERII I REKULTYWACJI ĆWICZENIE NR 5

Oddziaływanie cząstek z materią

WYZNACZANIE WSPÓŁCZYNNIKÓW INTERFERENCJI AERODYNAMICZNEJ WALCÓW USTAWIONYCH W RZĘDACH

Politechnika Poznańska. Metoda Elementów Skończonych

OPADANIE CZĄSTEK CIAŁ STAŁYCH W PŁYNACH

BEZWYMIAROWA POSTAĆ RÓWNANIA NAVIERA-STOKESA

AERODYNAMIKA I WYKŁAD 4 ELEMENTY TEORII WARSTWY PRZYŚCIENNEJ CZĘŚĆ 1

Projekt Metoda Elementów Skończonych. COMSOL Multiphysics 3.4

MECHANIKA II. Dynamika ruchu obrotowego bryły sztywnej

Transkrypt:

J. Szantyr Wyklad nr 6 Przepływy laminarne i turbulentne Zjawisko występowania dwóch różnych rodzajów przepływów, czyli laminarnego i turbulentnego, odkrył Osborne Reynolds (1842 1912) w swoim znanym eksperymencie dotyczącym cym przepływu w rurze w roku 1883. Stwierdził, że przepływ laminarny występuje do wartości Re=2300. Powyżej tej wartości ruch cieczy staje się niestabilny i dochodzi do silnego mieszania się cieczy w przepływie o charakterze wirowym turbulentnym.

Liczbą kryterialną pozwalającą ocenić charakter przepływu na podstawie jego głównych parametrów jest liczba Reynoldsa: Re = u l ν Osborne Reynolds 1842-1912 u prędkość charakterystyczna przepływu l charakterystyczny wymiar liniowy przepływu, najczęściej zgodny z kierunkiem prędkości u ν kinematyczny współczynnik lepkości Bezwymiarowa liczba Reynoldsa wyraża stosunek sił bezwładności do sił lepkości w danym przepływie. Duża wartość liczby Reynoldsa oznacza dominację sił bezwładności, a mała wartość wskazuje na znaczącą rolę sił lepkości.

Wzajemna relacja sił bezwładności i sił lepkości w przepływie płynu, wyrażona przez liczbę Reynoldsa, silnie wpływa na charakter przepływu. 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. Wartości krytyczne liczby Reynoldsa są różne dla różnych przepływów, np. inne dla przepływu w rurze, a inne dla opływu płaskiej ściany.

Przepływ laminarny uporządkowany ruch płynu po torach równoległych, elementy płynu nie mieszają się ze sobą, działa czysto lepkościowy mechanizm wymiany pędu i energii Wzrost wartości liczby Reynoldsa (zwykle na skutek wzrostu prędkości przepływu) prowadzi do utraty stabilności przepływu laminarnego i przejścia w przepływ turbulentny.

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. Big whirls have little whirls, That feed on their velocity And little whirls have lesser whirls And so on to viscosity (in the molecular sense) L.F. Richardson (1922)

Powyżej pokazano eksperyment dotyczący opływu cienkiego pręta, umieszczonego prostopadle do kierunku prędkości. Kolejne zdjęcia pokazują stopniową utratę stabilności przepływu w miarę wzrostu liczby Reynoldsa.

Rysunek pokazuje narastanie turbulentnych fluktuacji prędkości przepływu wzdłuż płaskiej płyty, czyli przy rosnącej wartości liczby Reynoldsa obliczanej w oparciu o odległość od przedniej krawędzi płyty. Dla przepływu w rurze o przekroju kołowym (D średnica) mamy: u D dolna wartość krytyczna: Re 1 = = 2000 ν górna wartość krytyczna: kr u D Re 2 = = 50000 ν kr

W opływie płaskiej płyty (x odległość od krawędzi) mamy: u x1 dolna wartość krytyczna: Rekr1 = = 90000 ν u x2 górna wartość krytyczna: Re = 1000000 ν W przepływie turbulentnym mamy: kr 2 = u U + u = czyli: prędkość chwilowa=prędkość średnia+fluktuacja turbulentna Miarą intensywności turbulencji jest stopień turbulencji ε: ε = 1 3 [( u ) ( u ) ( u ) ] 2 2 2 + + Energia kinetyczna turbulencji k wyraża się zależnością: x U 1 k = x y z 2 y [( ) ( ) ( ) 2 ] 2 2 u + u + u z

Wizualizacja przepływu turbulentnego uwidacznia struktury wirowe o różnych skalach wielkości, zwane wirami turbulentnymi.

Andrei Kolmogorow 1903-1985 Model Kołmogorowa (1941) traktuje turbulencję jako kaskadę wirów, przekazującą energię ruchu płynu od przepływu głównego do poziomu ruchu molekularnego. Największe wiry oddziaływują z przepływem głównym i z niego pobierają energię. Ich prędkość charakterystyczna i wymiar charakterystyczny są tego rzędu co w przepływie głównym (duża liczba Re). Oznacza to, że dominują tu siły bezwładności, a siły lepkości są pomijalne. Prowadzi to do rozpadu wirów na coraz mniejsze i szybciej wirujące. Najmniejsze wiry mają Re=1 przy średnicy η=0,1-0,01 mm i częstości obrotowej 10 khz. Ruch tych wirów jest hamowany przez siły lepkości (równe siłom bezwładności), a ich energia jest rozpraszana i przechodzi w energię wewnętrzną ruchu molekularnego, czyli w ciepło.

Analiza mechanizmów fizycznych występujących w przepływie turbulentnym prowadzi do następujących zależności określających charakterystyczne wielkości wirów w kaskadzie Kołmogorowa: η = Re 3 4 L l η Re = L l Ma l 0 gdzie: η skala najmniejszych wirów skala Kołmogorowa gdzie: Ma liczba Macha oparta na prędkości ruchu molekularnego Oszacowanie liczbowe prowadzi do następujących orientacyjnych wartości: η η 2 l 10 6 l 0 10 czyli: l >>η > l 0 Należy podkreślić, że o ile przedział pomiędzy l i η jest pokryty w sposób ciągły przez różne wielkości wirów, to pomiędzy η a l 0 pośrednie skale nie występują

Strumień wypływający z otworu przy stosunkowo niskiej nadkrytycznej liczbie Reynoldsa Strumień wypływający z otworu przy stosunkowo wysokiej nadkrytycznej liczbie Reynoldsa

Uwagi o zgodności teorii Kołmogorowa z fizyczną rzeczywistością turbulencji: 1. Teoria Kołmogorowa dobrze opisuje rzeczywisty przepływ turbulentny przy stosunkowo wysokich liczbach Reynoldsa. 2. Teoria Kołmogorowa zakłada wyłącznie stochastyczny charakter przepływu turbulentnego, podczas gdy w rzeczywistych przepływach często występują duże, koherentne struktury wirowe, które można opisać w sposób deterministyczny. 3. Teoria Kolmogorowa zakłada wyłącznie jednokierunkowy transport energii od dużych wirów do małych podczas gdy eksperymenty wykazują obecność również mało intensywnego transportu energii w kierunku przeciwnym tzw. rozpraszanie wsteczne.