Kuva 1. Virtauksen nopeus muuttuu poikkileikkauksen muuttuessa



Samankaltaiset tiedostot
Esim: Mikä on tarvittava sylinterin halkaisija, jolla voidaan kannattaa 10 KN kuorma (F), kun käytettävissä on 100 bar paine (p).

Luvun 12 laskuesimerkit

(c) Kuinka suuri suhteellinen virhe painehäviön laskennassa tehdään, jos virtaus oletetaan laminaariksi?

Luku 13. Kertausta Hydrostaattinen paine Noste

Luku 13. Kertausta Hydrostaattinen paine Noste

Demo 5, maanantaina RATKAISUT

KJR-C2003 Virtausmekaniikan perusteet, K2017 Tentti, pe :00-17:00 Lue tehtävät huolellisesti. Selitä tehtävissä eri vaiheet.

Hydrauliikka: kooste teoriasta ja käsitteistä

Mekaniikan jatkokurssi Fys102

VISKOSITEETTI JA PINTAJÄNNITYS

PHYS-A3121 Termodynamiikka (ENG1) (5 op)

PHYS-A3121 Termodynamiikka (ENG1) (5 op)

Luento 16: Fluidien mekaniikka

y 2 h 2), (a) Näytä, että virtauksessa olevan fluidialkion tilavuus ei muutu.

Kertaus 3 Putkisto ja häviöt, pyörivät koneet. KJR-C2003 Virtausmekaniikan perusteet

KJR-C2003 Virtausmekaniikan perusteet, K2017 Tentti, perjantai klo 12:00-16:00 Lue tehtävät huolellisesti. Selitä tehtävissä eri vaiheet.

Diplomi-insinöörien ja arkkitehtien yhteisvalinta - dia-valinta 2013 Insinöörivalinnan fysiikan koe , malliratkaisut

NESTEIDEN ja ja KAASUJEN MEKANIIKKA

(b) Tunnista a-kohdassa saadusta riippuvuudesta virtausmekaniikassa yleisesti käytössä olevat dimensiottomat parametrit.

Virtaus ruiskutusventtiilin reiästä

KJR-C2003 Virtausmekaniikan perusteet, K2017 Tentti, perjantai :00-12:00 Lue tehtävät huolellisesti. Selitä tehtävissä eri vaiheet.

Luento 16: Fluidien mekaniikka

Viikon aiheena putkivirtaukset

Putkistovirtausmittauksia

Liite F: laskuesimerkkejä


MUISTIO No CFD/MECHA pvm 22. kesäkuuta 2011

(a) Potentiaali ja virtafunktiot saadaan suoraan summaamalla lähteen ja pyörteen funktiot. Potentiaalifunktioksi

Chapter 5. Life in the Slow Lane: The Low Reynolds-Number World

on radan suuntaiseen komponentti eli tangenttikomponentti ja on radan kaarevuuskeskipisteeseen osoittavaan komponentti. (ks. kuva 1).

Luento 10. Virtaventtiilit Vastusventtiilit Virransäätöventtiilit Virranjakoventtiilit. BK60A0100 Hydraulitekniikka

5.3 Ensimmäisen asteen polynomifunktio

x + 1 πx + 2y = 6 2y = 6 x 1 2 πx y = x 1 4 πx Ikkunan pinta-ala on suorakulmion ja puoliympyrän pinta-alojen summa, eli

g-kentät ja voimat Haarto & Karhunen

14. Putkivirtausten ratkaiseminen. KJR-C2003 Virtausmekaniikan perusteet

KJR-C1001 Statiikka ja dynamiikka. Luento Susanna Hurme

3. Bernoullin yhtälön käyttö. KJR-C2003 Virtausmekaniikan perusteet

Pinta-alojen ja tilavuuksien laskeminen 1/6 Sisältö ESITIEDOT: määrätty integraali

Mekaniikan jatkokurssi Fys102

Tuulen nopeuden mittaaminen

KJR-C1001 Statiikka ja dynamiikka. Luento Susanna Hurme

Jakso 8. Ampèren laki. B-kentän kenttäviivojen piirtäminen

Vedetään kiekkoa erisuuruisilla voimilla! havaitaan kiekon saaman kiihtyvyyden olevan suoraan verrannollinen käytetyn voiman suuruuteen

Hydrostaattinen tehonsiirto. Toimivat syrjäytysperiaatteella, eli energia muunnetaan syrjäytyselimien staattisten voimavaikutusten avulla.

Johdanto. 1 Teoriaa. 1.1 Sähkönjohtimen aiheuttama magneettikenttä

(b) Määritä pumpun todellinen nostokorkeus, jos pumpun hyötysuhde on 65 %. 160 mm. 100 mm. 650 rpm. Kuva 1: Tehtävän asettelu.

Integrointi ja sovellukset

Kon HYDRAULIIKKA JA PNEUMATIIKKA

KJR-C1001 Statiikka ja dynamiikka. Luento Susanna Hurme

SwemaMan 7 Käyttöohje

A-osio. Ilman laskinta. MAOL-taulukkokirja saa olla käytössä. Maksimissaan yksi tunti aikaa. Laske kaikki tehtävät:

FYSA220/1 (FYS222/1) HALLIN ILMIÖ

4. Kontrollitilavuusajattelu ja massan säilyminen. KJR-C2003 Virtausmekaniikan perusteet

Aiheena tänään. Virtasilmukka magneettikentässä Sähkömagneettinen induktio. Vaihtovirtageneraattorin toimintaperiaate Itseinduktio

11. Dimensioanalyysi. KJR-C2003 Virtausmekaniikan perusteet

Kitka ja Newtonin lakien sovellukset

Luento 2: Liikkeen kuvausta

= 6, Nm 2 /kg kg 71kg (1, m) N. = 6, Nm 2 /kg 2 7, kg 71kg (3, m) N

4. Putkivirtaus 4. PUTKIVIRTAUS. 4.1 Virtauslajit ja Reynoldsin luku. 4.2 Putkivirtauksen häviöt

Luento 3: Liikkeen kuvausta, differentiaaliyhtälöt

KJR-C2002 Kontinuumimekaniikan perusteet, tentti

KALTEVA TASO. 1. Työn tavoitteet. 2. Teoria

Z 1 = Np i. 2. Sähkömagneettisen kentän värähdysliikkeen energia on samaa muotoa kuin molekyylin värähdysliikkeen energia, p 2

Kon Hydraulijärjestelmät

SwemaAir 5 Käyttöohje

Derivaatan sovellukset (ääriarvotehtävät ym.)

MS-A0305 Differentiaali- ja integraalilaskenta 3 Luento 3: Vektorikentät

LIITE 1 VIRHEEN ARVIOINNISTA

Ratkaisu: Maksimivalovoiman lauseke koostuu heijastimen maksimivalovoimasta ja valonlähteestä suoraan (ilman heijastumista) tulevasta valovoimasta:

ELEC C4140 Kenttäteoria (syksy 2016)

a(t) = v (t) = 3 2 t a(t) = 3 2 t < t 1 2 < 69 t 1 2 < 46 t < 46 2 = 2116 a(t) = v (t) = 50

Chapter 1. Preliminary concepts

Mekaniikan jatkokurssi Fys102

FYSP1082 / K4 HELMHOLTZIN KELAT

Fysiikan valintakoe , vastaukset tehtäviin 1-2

a) Piirrä hahmotelma varjostimelle muodostuvan diffraktiokuvion maksimeista 1, 2 ja 3.

y 1 x l 1 1 Kuva 1: Momentti

Differentiaali- ja integraalilaskenta 1 Ratkaisut 5. viikolle /

DEE Tuulivoiman perusteet

Rak Tulipalon dynamiikka

Näytä tai jätä tarkistettavaksi tämän jakson tehtävät viimeistään tiistaina

Liike ja voima. Kappaleiden välisiä vuorovaikutuksia ja niistä aiheutuvia liikeilmiöitä

Pythagoraan polku

Fysiikan perusteet. Voimat ja kiihtyvyys. Antti Haarto

SMG-4500 Tuulivoima. Toisen luennon aihepiirit VOIMIEN YHTEISVAIKUTUKSISTA SYNTYVÄT TUULET

Suora. Määritelmä. Oletetaan, että n = 2 tai n = 3. Avaruuden R n suora on joukko. { p + t v t R},

Differentiaali- ja integraalilaskenta 3 Mallit 2 (alkuviikko) / Syksy 2016

dx = L2 (x + 1) 2 dx x ln x + 1 = L 2 1 L + 1 L ( = 1 ((L + 1)ln(L + 1) L) L k + 1 xk+1 = 1 k + 2 xk+2 = 1 10k+1 k + 2 = 7.

Kappaleiden tilavuus. Suorakulmainensärmiö.

Fluidi virtaa vaakasuoran pinnan yli. Pinnan lähelle muodostuvan rajakerroksen nopeusjakaumaa voidaan approksimoida funktiolla

Sähköstatiikan laskuissa useat kaavat yksinkertaistuvat hieman, jos vakio C kirjoitetaan muotoon

MS-A0305 Differentiaali- ja integraalilaskenta 3 Luento 1: Moniulotteiset integraalit

LIITE 1 VIRHEEN ARVIOINNISTA

9. Kitkaton virtaus ja potentiaaliteoria. KJR-C2003 Virtausmekaniikan perusteet

3.3 Paraabeli toisen asteen polynomifunktion kuvaajana. Toisen asteen epäyhtälö

Käyttämällä annettua kokoonpuristuvuuden määritelmää V V. = κv P P = P 0 = P. (b) Lämpölaajenemisesta johtuva säiliön tilavuuden muutos on

Tekijä MAA2 Polynomifunktiot ja -yhtälöt = Vastaus a)

FYSIIKKA. Mekaniikan perusteita pintakäsittelijöille. Copyright Isto Jokinen; Käyttöoikeus opetuksessa tekijän luvalla. - Laskutehtävien ratkaiseminen

PYP I / TEEMA 4 MITTAUKSET JA MITATTAVUUS

Lisätehtäviä. Rationaalifunktio. x 2. a b ab. 6u x x x. kx x

Transkriptio:

8. NESTEEN VIRTAUS 8.1 Bernoullin laki Tässä laboratoriotyössä tutkitaan nesteen virtausta ja virtauksiin liittyviä energiahäviöitä. Yleisessä tapauksessa nesteiden virtauksen käsittely on matemaattisesti ja kokeellisesti haastavaa. Olettamalla neste kokoon puristumattomaksi ja tarkastelemalla vain laminaarista ja ajasta riippumatonta virtausta konservatiivisessa kentässä (esim. painovoima) päästään huomattavasti helpompaan käsittelyyn. Näillä oletuksilla voidaan johtaa alla esitetty nesteiden virtauksen teoria. A 1 u 1 A u Kuva 1. Virtauksen nopeus muuttuu poikkileikkauksen muuttuessa Tarkastellaan virtausta putkessa, jossa putken poikkileikkauksen pinta-ala ei ole vakio. Nesteelle on voimassa ns. virtauksen jatkuvuusyhtälö, jonka mukaan putken jokaisen poikkileikkauksen läpi virtaa samassa ajassa yhtä paljon nestettä. Yhtälö voidaan kirjoittaa muotoon V! = u =, (1) 1A1 u A missä V! on poikkipinnan läpi kulkeneen nestemäärän tilavuus aikayksikössä, u i on nesteen keskimääräinen nopeus aukossa i, kun A i on aukon i pinta-ala (i=1,). Energian säilymistä virtauksen aikana kuvaa Bernoullin yhtälö, jossa on havaittavissa liikeenergiatermi, potentiaalienergiatermi ja painetermi. Yhtälö voidaan esittää muodossa 1!u +!gz + p = ", () missä ρ on nesteen tiheys, g on putoamiskiihtyvyys, p on nesteessä vallitseva paine ja z on tarkastelukohdan korkeus jostain sopivasti valitusta nollatasosta. Yhtälön oikealla puolella esiintyvä termi Ε on vakio, jonka dimensiona voidaan käyttää [J/m 3 ] kuvaamaan virtauksen energiatiheyttä. Koska yhtälössä () Ε on vakio, voidaan Bernoullin yhtälö kirjoittaa yhtä aikaa usealle tarkastelupisteelle:! u +! gz + p =! u1 +! gz1 + p1 =! u +! gz + p =... (3) Yhtälössä on huomattava, että tarkastelukohdassa oleva paine on ulkoisen paineen ja hydrostaattisen paineen summa. Yhtälö (3) on voimassa häviöttömässä virtauksessa, ts. silloin, kun väliaineen vastusta ei ole otettu huomioon. Jos halutaan ottaa pienet häviöt huomioon, voidaan Bernoullin yhtälö kirjoittaa muodossa 1!u +!gz + p =!u i +!gz i + p i + " i (4) missä termit ε i ovat virtauksen energiahäviöitä (tai virtaushäviöitä tai painehäviöitä) valitun nollapisteen ja mittauspisteen välissä.

8. Poiseuillen laki Kun nesteen sisäinen kitka (vrt. työ 9) kasvaa riittävän suureksi, virtauksessa tapahtuvat häviöt tulevat merkityksellisiksi, ja energiaperiaate (Bernoullin yhtälö) ei riitä ongelman ratkaisuun. Tarkastellaan seuraavassa virtausta suorassa sylinterinmuotoisessa putkessa, jonka pituus on l ja halkaisija R (kuva a). Putken päihin vaikuttavat paineet p 1 ja p (p 1 >p ). Oletetaan, että virtaus on laminaarista, jolloin nestehiukkaset kulkevat putken akselin suuntaan. Putken seinämillä nestehiukkaset ovat paikoillaan kitkan vaikutuksesta. Siirryttäessä keskemmälle virtausnopeus kasvaa saavuttaen maksimiarvonsa putken keskiakselilla. Liikettä vastustava voima aiheutuu siten eri nopeudella toistensa suhteen liukuvien nestekerrosten välisestä kitkasta. r a) R r b) v(r) Kuva : a) Suora sylinterinmuotoinen putki, jossa neste virtaa laminaarisesti paine-eron p 1 -p vaikutuksesta, b) nesteen virtausnopeus putken poikkileikkaustasossa Kitkan laskemista varten ajatellaan putken keskelle halkaisijaltaan r oleva sylinteri (pituus l), joka liikkuu nopeudella v. Sylinterin päätyihin vaikuttava paine-ero aiheuttaa sylinteriin ulkoisen voiman F u =!r p 1 "!r p. (5) Dynaamisen viskositeetin määritelmän 1! = F k A dv dr (6) perusteella, kun huomataan, että dv/dr <, saadaan r-säteisen sylinterin vaippaan vaikuttavaksi liikettä vastustavaksi kitkavoimaksi F k ( r) =!" # $r! l # dv. (7) dr r Tasapainotilassa, jolloin virtausnopeus ei muutu ajan funktiona, ulkoinen voima ja kitkavoima ovat yhtäsuuret, eli (p 1! p )"r =!# $ "r! l $ dv dr r. (8) Kun muuttujat erotetaan ja muistetaan, että v(r)=, saadaan integroimalla yhtälöä 1 Esim The Feynman Lectures on Physics, vol II Ch 41, Addison-Wesley, 1964

v! dv = " p " p #! l r! rdr, (9) R lauseke virtausnopeudelle v( r) = 1 4!! p! l ( R " r ). (1) Tästä nähdään, että nesteen nopeus muuttuu parabolisesti putken poikkileikkaustasossa, kuten kuvassa b on esitetty. Putken läpi kulkevan tilavuusvirran laskemiseksi tarkastellaan onttoa nestesylinteriä, jonka sisäja ulkosäteet olkoot r ja r+dr. Ajassa t sylinteriä pitkin virtaa nestemäärä dv = (!rdr) ( v! t) (11) Siten koko putken läpi virtaa samassa ajassa nestemäärä!v! dv = "! t 1! p 4#! l josta tilavuusvirraksi saadaan Poiseuillen virtauksessa R! ( R $ r ) rdr, (1)!V =!V! t =!! p 8"! l # R4, (13) ja lauseketta voidaan käyttää viskositeetin määrittämiseen. Toisaalta tästä yhtälöstä voidaan ratkaista tunnetulle nesteelle myös putken päiden välillä vaikuttava paine-ero! p = 8!! l!v, (14) " R 4 joka tasapaksun putken tapauksessa kuvaa virtauksen energiatiheydessä tapahtunutta pienenemistä. 8.3 Virtauksen laminaarisuus Nestevirtausta voidaan pitää laminaarisena, kun putken dimensioiden, nesteen ominaisuuksien ja virtausnopeuden avulla laskettu niin sanottu Reynoldsin luku Re = R u". (15)! jää pienemmäksi kuin. Reynoldsin luvun kasvaessa virtaus muuttuu laminaarista transitiovirtauksen kautta turbulentiksi. Yleisesti turbulentin virtauksen häviöt ovat suuremmat kuin laminaarisen virtauksen.

8.4 Mittauslaitteisto Harjoitustyön tarkoituksena on tutkia Bernoullin ja Poiseuillen lakien pätevyyttä yksinkertaisessa putkistossa sekä määrittää veden viskositeetti. Laitteistossa on kolme manometriä paineen määrittämiseen ja sen suulle voidaan vaihtaa kaksi erilaista suutinta (kuva 3). Toisella suuttimella tutkitaan Bernoullin lakia ja toisella Poiseuillen lakia. Koelaitteistossa nestepinnan korkeus säiliössä on z. Laitteisto sisältää seuraavat komponentit: - vesisäiliö jossa mitta-asteikko - koeputkisto jossa 3 manometriä ja hanat - Bernoullin suutin B, jonka halkaisija kartion kapeammassa päässä on (3. ±.1) mm. - Poiseuillen kapillaarisuutin P, jonka sisähalkaisija on (1.1 ±.) mm ja pituus (1 ± 1) mm. - mittalasi - kello - täyttö- ja tyhjennysputkistot Putkien sisähalkaisijat kuvaan 3 merkittyjen manometrien kohdilla ovat D 1 = (7. ±.1) mm, D = (4. ±.1) mm ja D 3 = (7. ±.1) mm. Pituutta l 1 vastaavan kartiomaisen putken halkaisijaksi voit olettaa D 1 :n ja D :n keskiarvon. B Kuva 3. Mittauksissa käytettävä koejärjestely Bernoullin lakia tutkittaessa nesteen virtausta tarkastellaan vaakasuorassa putkistossa lähtöpisteessä ja kolmessa tarkastelupisteessä, joissa putken poikkipinta-alat ovat A 1, A ja A 3. Kussakin tarkastelupisteessä on nestepatsasmanometrit, joiden avulla voidaan määrittää hydrostaattiset paineet p 1, p ja p 3 nestepatsaan korkeuden h i avulla. Putken suusta tuleva tilavuusvirta V! mitataan, jolloin keskimääräiset virtausnopeudet u 1, u ja u 3 putken eri poikkileikkauksissa saadaan lasketuksi yhtälöstä (1). Saatujen mittaustulosten avulla lasketaan Bernoullin yhtälössä esiintyvät energiatermit, jokaisessa tarkastelupisteessä, ja niiden perusteella arvioidaan energiahäviöiden suuruutta. Jos laitteisto on rakennettu virtaviivaiseksi ja putkien halkaisijat ovat riittävän suuria, häviötermien yhtälössä (4) tulisi olla pieniä muihin termeihin nähden. Virtauksen energiahäviöitä arvioidaan mittaamalla yhtälön (4) mukainen häviö pisteiden 1 ja välillä ja vertaamalla tätä Poiseullen lain antamaan häviöön (14) samojen mittauspisteiden välillä. Koska putki tässä tapauksessa ei ole tasapaksu, putki jaetaan osiin, joille kullekin voidaan arvioida pituus l i ja säde R i ja energiatiheyden häviölle saadaan lauseke P

! = 8" V #! $ i! l i R i 4 Veden viskositeetti määritetään Poiseullen lailla (13) mittaamalla virtausnopeutta nestepinnan korkeuden funktiona, kun virtausnopeutta rajoitetaan kapillaarisuuttimella P. Paine-ero kapillariputken päiden välillä saadaan, koska kapillaarin alkupäähän kohdistuu hydrostaattinen paine ρgz ja sen loppupää on vapaa.