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

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

11. Dimensioanalyysi. KJR-C2003 Virtausmekaniikan perusteet

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

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

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

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

Luku 13. Kertausta Hydrostaattinen paine Noste

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

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

Kuva 1. Virtauksen nopeus muuttuu poikkileikkauksen muuttuessa

Luku 13. Kertausta Hydrostaattinen paine Noste

PRELIMINÄÄRIKOE PITKÄ MATEMATIIKKA

Demo 5, maanantaina RATKAISUT

MAB3 - Harjoitustehtävien ratkaisut:

MUISTIO No CFD/MECHA pvm 22. kesäkuuta 2011

Virhearviointi. Fysiikassa on tärkeää tietää tulosten tarkkuus.

Liite F: laskuesimerkkejä

x 4 e 2x dx Γ(r) = x r 1 e x dx (1)

Luvun 12 laskuesimerkit

Chapter 1. Preliminary concepts

12. Mallikokeet. KJR-C2003 Virtausmekaniikan perusteet

Sovellettu todennäköisyyslaskenta B

KJR-C2002 Kontinuumimekaniikan perusteet, tentti

Laskun vaiheet ja matemaattiset mallit

Oletetaan, että virhetermit eivät korreloi toistensa eikä faktorin f kanssa. Toisin sanoen

MAB3 - Harjoitustehtävien ratkaisut:

Työssä määritetään luokkahuoneen huoneilman vesihöyryn osapaine, osatiheys, huoneessa olevan vesihöyryn massa, absoluuttinen kosteus ja kastepiste.

Differentiaali- ja integraalilaskenta

5.3 Ensimmäisen asteen polynomifunktio

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

DirAir Oy:n tuloilmaikkunaventtiilien mittaukset

TEHTÄVIEN RATKAISUT N = 1,40 N -- 0,84 N = 0,56 N. F 1 = p 1 A = ρgh 1 A. F 2 = p 2 A = ρgh 2 A

Diplomi-insinööri- ja arkkitehtikoulutuksen yhteisvalinta 2017 Insinöörivalinnan matematiikan koe , Ratkaisut (Sarja A)

Laskun vaiheet ja matemaattiset mallit

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

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

1 Tieteellinen esitystapa, yksiköt ja dimensiot

1 Tieteellinen esitystapa, yksiköt ja dimensiot

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

805306A Johdatus monimuuttujamenetelmiin, 5 op

3 = Lisäksi z(4, 9) = = 21, joten kysytty lineaarinen approksimaatio on. L(x,y) =

Matematiikan tukikurssi

Matematiikan tukikurssi

Ratkaisuja, Tehtävät

Differentiaali- ja integraalilaskenta 3 Mallit laskuharjoitukseen 3 /

LIITE 1 VIRHEEN ARVIOINNISTA

PIENTAAJUISET SÄHKÖ- JA MAGNEETTIKENTÄT HARJOITUSTEHTÄVÄ 1. Pallomaisen solun relaksaatiotaajuus 1 + 1

4 LUKUJONOT JA SUMMAT

LIITE 1 VIRHEEN ARVIOINNISTA

1. Tutkitaan regressiomallia Y i = β 0 + β 1 X i + u i ja oletetaan, että tavanomaiset

CHEM-A1410 Materiaalitieteen perusteet

Kojemeteorologia (53695) Laskuharjoitus 1

Matematiikan tukikurssi

LIITE 1 VIRHEEN ARVIOINNISTA

Wiener-prosessi: Tarkastellaan seuraavanlaista stokastista prosessia

14. Putkivirtausten ratkaiseminen. KJR-C2003 Virtausmekaniikan perusteet

Mikrotila Makrotila Statistinen paino Ω(n) 3 Ω(3) = 4 2 Ω(2) = 6 4 Ω(4) = 1

Derivaatat lasketaan komponenteittain, esimerkiksi E 1 E 2

= P 0 (V 2 V 1 ) + nrt 0. nrt 0 ln V ]

Ylioppilastutkintolautakunta S tudentexamensnämnden

y + 4y = 0 (1) λ = 0

Luvun 5 laskuesimerkit

Kuva 1: Yksinkertainen siniaalto. Amplitudi kertoo heilahduksen laajuuden ja aallonpituus


Juuri 12 Tehtävien ratkaisut Kustannusosakeyhtiö Otava päivitetty

riippumattomia ja noudattavat samaa jakaumaa.

Matematiikan tukikurssi

Moniulotteisia todennäköisyysjakaumia

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

Koska ovat negatiiviset. Keskihajontoja ei pystytä laskemaan mutta pätee ¾.

Differentiaali- ja integraalilaskenta 1 Ratkaisut 5. viikolle /

Kvanttifysiikan perusteet 2017

OPTIMAALINEN INVESTOINTIPÄÄTÖS

Yhtälön oikealla puolella on säteen neliö, joten r. = 5 eli r = ± 5. Koska säde on positiivinen, niin r = 5.

KERTAUS KERTAUSTEHTÄVIÄ K1. P( 1) = 3 ( 1) + 2 ( 1) ( 1) 3 = = 4

Teddy 7. harjoituksen malliratkaisu syksy 2011

Differentiaalilaskennan tehtäviä

= 9 = 3 2 = 2( ) = = 2

MATEMATIIKAN KOE, PITKÄ OPPIMÄÄRÄ HYVÄN VASTAUKSEN PIIRTEITÄ

TEHTÄVIEN RATKAISUT. Luku Kaikki luvut on kokonaislukuja. Luonnollisia lukuja ovat 35, 7 ja 0.

1. Yksiulotteisen harmonisen oskillaattorin energiatilat saadaan lausekkeesta

2 exp( 2u), kun u > 0 f U (u) = v = 3 + u 3v + uv = u. f V (v) dv = f U (u) du du f V (v) = f U (u) dv = f U (h(v)) h (v) = f U 1 v (1 v) 2

Ympyrän yhtälö

FYSIIKAN LABORATORIOTYÖT 2 MAGNEETTIKENTTÄTYÖ

7. Olemassaolo ja yksikäsitteisyys Galois n kunta GF(q) = F q, jossa on q alkiota, määriteltiin jäännösluokkarenkaaksi

MATEMATIIKAN KOE, LYHYT OPPIMÄÄRÄ HYVÄN VASTAUKSEN PIIRTEITÄ

Maatalous-metsätieteellisen tiedekunnan valintakoe Ympäristö-ja luonnonvaraekonomia Matematiikan kysymysten oikeat vastaukset

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

Jos olet käynyt kurssin aikaisemmin, merkitse vuosi jolloin kävit kurssin nimen alle.

Yhtälöryhmät 1/6 Sisältö ESITIEDOT: yhtälöt

y x1 σ t 1 = c y x 1 σ t 1 = y x 2 σ t 2 y x 2 x 1 y = σ(t 2 t 1 ) x 2 x 1 y t 2 t 1

1.1 Funktion määritelmä

SÄHKÖENERGIATEKNIIIKKA. Harjoitus - luento 6. Tehtävä 1.

Putkistovirtausmittauksia

4 Matemaattinen induktio

VEKTORIANALYYSIN HARJOITUKSET: VIIKKO 4

Ilkka Mellin Todennäköisyyslaskenta Osa 3: Todennäköisyysjakaumia Moniulotteisia todennäköisyysjakaumia

763306A JOHDATUS SUHTEELLISUUSTEORIAAN 2 Ratkaisut 2 Kevät 2017

Työssä määritetään luokkahuoneen huoneilman vesihöyryn osapaine, osatiheys, huoneessa olevan vesihöyryn massa, absoluuttinen kosteus ja kastepiste.

Transkriptio:

Tehtävä 1 Oletetaan, että ruiskutussuuttimen nestepisaroiden halkaisija d riippuu suuttimen halkaisijasta D, suihkun nopeudesta V sekä nesteen tiheydestä ρ, viskositeetista µ ja pintajännityksestä σ. (a) Johda pisaroiden halkaisijasuhteelle d/d dimensioton riippuvuus. Älä valitse pintajännitystä toistuvaksi muuttujaksi. (b) Tunnista a-kohdassa saadusta riippuvuudesta virtausmekaniikassa yleisesti käytössä olevat dimensiottomat parametrit. Ratkaisu (Kappaleet 7.3, 7.6) (a) Tehtävä ratkeaa systemaattisesti käyttämällä toistuvien muuttujien menetelmää, jonka vaiheet ovat seuraavat. 1. Määritetään dimensiollinen yhteys. 2. Määritetään muuttujien yksiköt ja lasketaan kuinka monta perusyksikköä tarvitaan. 3. Määritetään syntyvien Π-termien ja ei-toistuvien muuttujien lukumäärä. 4. Valitaan toistuvat muuttujat. 5. Ratkaistaan Π-termit ei-toistuvien ja toistuvien muuttujien potenssien tuloina. Kirjoitetaan annettu dimensioton riippuvuus tehtävänannon perusteella d = f(d, V, ρ, µ, σ). Muuttujia on siis yhteensä kuusi k = 6. Listataan näiden muuttujien yksiköt. d = L D = L V = LT 1 ρ = ML 3 µ = ML 1 T 1 σ = MT 2 Muuttujien esittämiseen tarvitaan siis kolmea perusyksikköä M, L ja T r = 3. Tämän seuraksena Π-termejä voidaan muodostaa k r = 3 kappaletta ja toistuvia muuttujia valitaan kolme (r = 3). Koska pisaran halkaisija on luonnollista tehdä dimensiottomaksi suuttimen halkaisijalla, on ensimmäinen dimensioton ryhmä Π 1 = d D. Tällöin on luonnollista, että yhdeksi toistuvaksi muuttujaksi valitaan halkaisija D. Kahdeksi muuksi voimme valita nopeuden V ja tiheyden ρ, joilla on varsin yksinkertaiset yksiköt.

Koska ensimmäinen dimensioton ryhmä d/d oli annettu jo oikeastaan tehtävänannossa, voidaan seuraavaksi ratkaista toinen dimensioton ryhmä. Toinen ei-toistuva muuttuja on µ. Etsitään siis potenssit a, b ja c, joilla µ D a V b ρ c = M 0 L 0 T 0. ML 1 T 1 (L) a (LT 1 ) b (ML 3 ) c = M 0 L 0 T 0 M 1+c L 1+a+b 3c T 1 b = M 0 L 0 T 0. 1 + c = 0 1 + a + b 3c = 0 1 b = 0 Ensimmäisestä yhtälöstä saadaan c = 1 ja viimeisestä b = 1. Sijoittamalla nämä keskimmäiseen a = 1 + 1 3 = 1. Π 2 = µ ρv D. Kolmas ryhmä saadaan vastaavasti. Viimeinen ei-toistuva muuttuja on σ. Tässä tapauksessa σ D a V b ρ c = M 0 L 0 T 0. MT 2 (L) a (LT 1 ) b (ML 3 ) c = M 0 L 0 T 0 M 1+c L a+b 3c T 2 b = M 0 L 0 T 0. 1 + c = 0 a + b 3c = 0 2 b = 0 Ensimmäisestä yhtälöstä saadaan c = 1 ja viimeisestä b = 2. Sijoittamalla nämä keskimmäiseen a = 2 3 = 1. Kysytty dimensioton riippuvuus on siis Π 3 = σ ρv 2 D. d D = φ( µ ρv D, σ ρv 2 D )

(b) Tarkastelemalla a-kohdan dimensiottomia ryhmiä ja vertaamalla näitä yleisesti käytettyihin dimensiottomiin parametreihin huomataan, että Π 2 = µ ρv D = 1 Re, Π 3 = σ ρv 2 D = 1 We ryhmissä esiintyvät Reynoldsin ja Weberin luvut. Reynoldsin luku on tyypillinen tilanteissa, joissa viskositeetilla on merkitystä ja Weberin luku tilanteissa, joissa pintajännityksellä on merkitystä. Tehtävä 2 Oletetaan, että auton vastus D riippuu ilman tiheydestä ρ, viskositeetista µ, auton nopeudesta V ja auton otsapinta-alasta A. (a) Määritä vastukselle dimensioton riippuvuus. (b) Jos auton nopeus on 50 km/h, millä nopeudella auton mallia pitää testata tuulitunnssa samassa paineessa ja lämpötilassa, jos mallin mittakaava on 1 : 5? (c) Jos mallin vastus tuulitunnssa on 350 N, mikä on vastaavasti täysikokoisen auton vastus? Ratkaisu (Kappaleet 7.3, 7.8) (a) Kirjoitetaan annettu dimensioton riippuvuus tehtävänannon perusteella D = f(ρ, µ, V, A) Muuttujia on siis yhteensä viisi k = 5. Listataan näiden muuttujien yksiköt. D = MLT 2 ρ = ML 3 µ = ML 1 T 1 V = LT 1 A = L 2 Muuttujien esittämiseen tarvitaan siis kolmea perusyksikköä M, L ja T r = 3. Tämän seuraksena Π-termejä voidaan muodostaa k r = 2 kappaletta ja toistuvia muuttujia valitaan kolme (r = 3). Valitaan toistuviksi muuttujiksi ρ, V ja A. Ensimmäinen ei-toistuva muuttuja on stettävä muuttuja vastus D. Etsitään potenssit a, b ja c, joilla D ρ a V b A c = M 0 L 0 T 0. MLT 2 (ML 3 ) a (LT 1 ) b (L 2 ) c = M 0 L 0 T 0

M 1+a L 1 3a+b+2c T 2 b = M 0 L 0 T 0. 1 + a = 0 1 3a + b + 2c = 0 2 b = 0 Ensimmäisestä yhtälöstä saadaan a = 1 ja viimeisestä b = 2. Sijoittamalla nämä keskimmäiseen c = 1 3 + 2 = 1. 2 Π 1 = D ρv 2 A. Toinen ei-toistuva muuttuja on viskositeetti µ. Etsitään potenssit a, b ja c, joilla µ ρ a V b A c = M 0 L 0 T 0. ML 1 T 1 (ML 3 ) a (LT 1 ) b (L 2 ) c = M 0 L 0 T 0 M 1+a L 1 3a+b+2c T 1 b = M 0 L 0 T 0. 1 + a = 0 1 3a + b + 2c = 0 1 b = 0 Ensimmäisestä yhtälöstä saadaan a = 1 ja viimeisestä b = 1. Sijoittamalla nämä keskimmäiseen c = 1 3 + 1 = 1 2 2. Π 2 = µ ρv A = 1 Re. Tämä on siis Reynoldsin luvun käänteisluku, jossa referenssipituus on laskettu pinta-alan nöjuuresta. Dimensioton yhteys on luonnollisempaa kirjoittaa suoraan Reynoldsin luvun funktiona (muista, että dimensiottomista ryhmistä voi ottaa käänteislukuja ja kertoa keskenään, koska myös syntyvä ryhmä on dimensioton) D A ρv 2 A = φ(ρv ) = φ(re). µ

(b) Jotta tulokset olisivat similaarisia, tulee a-kohdan dimensiottoman yhteyden mukaan Reynoldsin luvun pysyä samana. Tällöin siis Re p = Re m, missä alaindeksit p ja m viittavat prototyyppiin (auto) ja malliin. Tällöin siis Am ρ p V p Ap = ρ mv m. µ p µ m Tästä seuraa, että V m = ρ p µ m Ap V p. ρ m µ p Am Koska lämpötila ja paine eivät muutu, ovat aineominaisuudet samat, jolloin saamme Ap V m = V p = 5V p = 5 50 km Am h = 250 km h. (c) Jos Reynoldin luvut ovat samat, on tällöin a-kohdan dimensiottoman yhteyden mukaan myös dimensioton vastuskerroin sama D p = D m. ρ p Vp 2 A p ρ m VmA 2 m Tästä saadaan auton vastukseksi Edellisen kohdan perusteella voidaan kirjoittaa D p = ρ p Vp 2 A p D m. ρ m A m V 2 m D p = V p 2 A p D Vm 2 m = 1 A m 5 2 52 350 N = 350 N. Mitattu vastus vastaa siis suoraan auton vastusta. Vaikka auton otsapinta-ala on huomattavasti suurempi, kompensoi tätä se, että auton nopeus on huomattavasti pienempi. Tehtävä 3 Painehäviö ilman virratessa erään suodatinmateriaalin läpi riippuu tilavuusvirrasta Q, ilman tiheydestä ρ sekä suodattimen paksuudesta H ja huokoisuudesta f (kuinka suuri prosentuaalinen osuus suodattimen tilavuudesta ei sisällä suodattimen kuituja). Suodattimelle, jonka paksuus on 3 cm ja huokoisuus 45 prosenttia on saatu 20 asteen lämpötilassa ja ilmakehän paineessa seuraavat mittaustulokset. Q, m 3 /s 0,094 0,189 0,283 0,378 0,472 0,566 p, Pa 77 309 695 1236 1931 2791 (a) Johda suodattimen painehäviölle dimensioton yhteys siten, että huokoisuus on yksi dimensioton sttävä muuttuja. (b) Määritä painehäviö samalle suodatinmateriaalille, jos suodattimen paksuus on 6 cm ja tilavuusvirta on 0, 35 m 3 /s.

Ratkaisu (Kappaleet 7.3, 7.7) (a) Kirjoitetaan annettu dimensioton riippuvuus tehtävänannon perusteella p = f(q, ρ, H, f) Muuttujia on siis yhteensä viisi k = 5. Listataan näiden muuttujien yksiköt. p = ML 1 T 2 Q = L 3 T 1 ρ = ML 3 H = L f = 1 Muuttujien esittämiseen tarvitaan siis kolmea perusyksikköä M, L ja T r = 3. Tämän seuraksena Π-termejä voidaan muodostaa k r = 2 kappaletta ja toistuvia muuttujia valitaan kolme (r = 3). Valitaan toistuviksi muuttujiksi Q, ρ ja H. Huokoisuutta ei voida valita toistuvaksi muuttujaksi, koska sillä ei ole yksiköitä. Se on jo siis valmiiksi dimensioton ja muodostaa tehtävänannon mukaisesti yhden dimensiottoman muuttujan. Ainoa ei-toistuva muuttuja on stettävä muuttuja vastus p. Etsitään potenssit a, b ja c, joilla p Q a ρ b H c = M 0 L 0 T 0. ML 1 T 2 (L 3 T 1 ) a (ML 3 ) b (L) c = M 0 L 0 T 0 M 1+b L 1+3a 3b+c T 2 a = M 0 L 0 T 0. 1 + b = 0 1 + 3a 3b + c = 0 2 a = 0 Ensimmäisestä yhtälöstä saadaan b = 1 ja viimeisestä a = 2. Sijoittamalla nämä keskimmäiseen c = 1 + 6 3 = 4. Dimensioton yhteys on siis Π 1 = ph4 ρq 2. ph 4 ρq 2 = φ(f).

(b) Edellisessä kohdassa saadusta dimensiottomasta yhteydestä nähdään, että dimensioton painehäviökerroin ei muutu, jos suodattimen huokoisuus pidetään vakiona. Nyt molemmissa tehtävän tilanteissa huokoisuus on sama, joten uuden tilanteen painehäviö voitaisiin määrittää yhden mittaustuloksen perusteella voisimme kirjoittaa suoraan p 1 H 4 1 ρ 1 Q 2 1 = p 2H 4 2 ρ 2 Q 2 2. (1) Koska mittauksia on kuitenkin suoritettu useita, on järkevää hyödyntää kaikkia mittauksia mittausepävarmuuden pienentämiseksi. Taulukoidaan siis dimensioton painehäviökerroin mitatuissa tapauksissa. Tämä on esitetty oheisessa taulukossa (ρ = 1, 204 kg/m 3 ). Kuten taulukosta Q, m 3 /s 0,094 0,189 0,283 0,378 0,472 0,566 p, Pa 77 309 695 1236 1931 2791 ph 4 /(ρq 2 ) 0,00586 0,00582 0,00584 0,00582 0,00583 0,00586 nähdään, on dimensioton painehäviö käytännössä vakio. Laskemalla keskiarvo ja keskihajonta eri mittauksista saadaan dimensiottomaksi painehäviöksi 0, 00584 ± 0, 00002. Nyt voidaan kirjoittaa uudelle tilanteelle p 0, 06 4 m 4 0, 00584 1, 204 0, 352 = 0, 00584 = p = Pa 66 Pa. 1, 204 kg/m 3 0, 35 2 m 6 /s2 0, 06 4