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

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

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

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

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

Viikon aiheena putkivirtaukset

7. Differentiaalimuotoinen jatkuvuusyhtälö. KJR-C2003 Virtausmekaniikan perusteet

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

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

Luku 13. Kertausta Hydrostaattinen paine Noste

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

Matematiikan taito 9, RATKAISUT. , jolloin. . Vast. ]0,2] arvot.

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

2 Pistejoukko koordinaatistossa

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

y=-3x+2 y=2x-3 y=3x+2 x = = 6

1 Ensimmäisen asteen polynomifunktio

Luku 13. Kertausta Hydrostaattinen paine Noste

Chapter 1. Preliminary concepts

Kuva 1. Virtauksen nopeus muuttuu poikkileikkauksen muuttuessa

15. Rajakerros ja virtaus kappaleiden ympäri. KJR-C2003 Virtausmekaniikan perusteet

Tekijä Pitkä matematiikka

Kertaus. x x x. K1. a) b) x 5 x 6 = x 5 6 = x 1 = 1 x, x 0. K2. a) a a a a, a > 0

Juuri 6 Tehtävien ratkaisut Kustannusosakeyhtiö Otava päivitetty Vastaus: Määrittelyehto on x 1 ja nollakohta x = 1.

11 MATEMAATTINEN ANALYYSI

MAA7 Kurssikoe Jussi Tyni Tee B-osion konseptiin pisteytysruudukko! Kaikkiin tehtäviin välivaiheet näkyviin! Laske huolellisesti!

Jakso 1: Pyörimisliikkeen kinematiikkaa, hitausmomentti

Luvun 12 laskuesimerkit

PRELIMINÄÄRIKOE PITKÄ MATEMATIIKKA

4 TOISEN ASTEEN YHTÄLÖ

MUISTIO No CFD/MECHA pvm 22. kesäkuuta 2011

y + 4y = 0 (1) λ = 0

L a = L l. rv a = Rv l v l = r R v a = v a 1, 5

Öljysäiliö maan alla

Kertaus. Integraalifunktio ja integrointi. 2( x 1) 1 2x. 3( x 1) 1 (3x 1) KERTAUSTEHTÄVIÄ. K1. a)

Yhtälöryhmä matriisimuodossa. MS-A0004/A0006 Matriisilaskenta. Tarkastellaan esimerkkinä lineaarista yhtälöparia. 2x1 x 2 = 1 x 1 + x 2 = 5.

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

Juuri 6 Tehtävien ratkaisut Kustannusosakeyhtiö Otava päivitetty

B-OSA. 1. Valitse oikea vaihtoehto. Vaihtoehdoista vain yksi on oikea.

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

Juuri 7 Tehtävien ratkaisut Kustannusosakeyhtiö Otava päivitetty c) sin 50 = sin ( ) = sin 130 = 0,77

1 Rationaalifunktio , a) Sijoitetaan nopeus 50 km/h vaihtoaikaa kuvaavan funktion lausekkeeseen.

Kertaus. x x x. K1. a) b) x 5 x 6 = x 5 6 = x 1 = 1 x, x 0. K2. a) a a a a, a > 0

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


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

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

4 Polynomifunktion kulku

4 Yleinen potenssifunktio ja polynomifunktio

Näihin harjoitustehtäviin liittyvä teoria löytyy Adamsista: Ad6, Ad5, 4: 12.8, ; Ad3: 13.8,

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

Harjoitus 6. KJR-C2001 Kiinteän aineen mekaniikan perusteet, IV/2016


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

Ylioppilastutkintolautakunta S tudentexamensnämnden

läheisyydessä. Piirrä funktio f ja nämä approksimaatiot samaan kuvaan. Näyttääkö järkeenkäyvältä?

Tekijä MAA2 Polynomifunktiot ja -yhtälöt = Vastaus a)

Diplomi-insinööri- ja arkkitehtikoulutuksen yhteisvalinta 2018 Insinöörivalinnan matematiikan koe, , Ratkaisut (Sarja A)

Harjoitus 10. KJR-C2001 Kiinteän aineen mekaniikan perusteet, IV/2016

Jakso 8. Ampèren laki. B-kentän kenttäviivojen piirtäminen

TÄSSÄ ON ESIMERKKEJÄ SÄHKÖ- JA MAGNETISMIOPIN KEVÄÄN 2017 MATERIAALISTA

Ratkaisut 3. KJR-C2001 Kiinteän aineen mekaniikan perusteet, IV/2016

Differentiaaliyhtälöt II, kevät 2017 Harjoitus 5

Demo 5, maanantaina RATKAISUT

Matematiikan tukikurssi, kurssikerta 3

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

Dierentiaaliyhtälöistä

KERTAUSHARJOITUKSIA. 1. Rationaalifunktio a) ( ) 2 ( ) Vastaus: a) = = 267. a) a b) a. Vastaus: a) a a a a 268.

määrittelyjoukko. log x piirretään tangentti pisteeseen, jossa käyrä leikkaa y-akselin. Määritä millä korkeudella tangentti leikkaa y-akselin.

A = (a 2x) 2. f (x) = 12x 2 8ax + a 2 = 0 x = 8a ± 64a 2 48a x = a 6 tai x = a 2.

3 TOISEN ASTEEN POLYNOMIFUNKTIO

TEHTÄVIEN RATKAISUT. Luku a) Merkintä f (5) tarkoittaa lukua, jonka funktio tuottaa, kun siihen syötetään luku 5.

Tehtävänanto oli ratkaista seuraavat määrätyt integraalit: b) 0 e x + 1

2.2 Gaussin eliminaatio. 2.2 Gaussin eliminaatio. 2.2 Gaussin eliminaatio. 2.2 Gaussin eliminaatio

4. Kertausosa. 1. a) 12

MAB3 - Harjoitustehtävien ratkaisut:

Matematiikan tukikurssi

MATEMATIIKAN KOE, LYHYT OPPIMÄÄRÄ HYVÄN VASTAUKSEN PIIRTEITÄ

5 Rationaalifunktion kulku

Lineaarinen yhtälöryhmä

Derivaatan sovellukset (ääriarvotehtävät ym.)

763306A JOHDATUS SUHTEELLISUUSTEORIAAN 2 Ratkaisut 3 Kevät E 1 + c 2 m 2 = E (1) p 1 = P (2) E 2 1

Differentiaali- ja integraalilaskenta 1 Ratkaisut 5. viikolle /

Matematiikan tukikurssi

2 Raja-arvo ja jatkuvuus

Yhtälöryhmä matriisimuodossa. MS-A0007 Matriisilaskenta. Tarkastellaan esimerkkinä lineaarista yhtälöparia. 2x1 x 2 = 1 x 1 + x 2 = 5.

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

Ratkaisuja, Tehtävät

Juuri 2 Tehtävien ratkaisut Kustannusosakeyhtiö Otava päivitetty

763306A JOHDATUS SUHTEELLISUUSTEORIAAN 2 Ratkaisut 1 Kevät y' P. α φ

Matematiikan tukikurssi

Käy vastaamassa kyselyyn kurssin pedanet-sivulla (TÄRKEÄ ensi vuotta ajatellen) Kurssin suorittaminen ja arviointi: vähintään 50 tehtävää tehtynä

Luento 13: Periodinen liike. Johdanto Harmoninen värähtely Esimerkkejä F t F r

BM20A5840 Usean muuttujan funktiot ja sarjat Harjoitus 1, Kevät 2018

FYSA242 Statistinen fysiikka, Harjoitustentti

Transkriptio:

Tehtävä 1 Tarkastellaan paineen ajamaa Poisseuille-virtausta kahden yhdensuuntaisen levyn välissä Levyjen välinen etäisyys on 2h Nopeusjakauma raossa on tällöin u(y) = 1 dp ( y 2 h 2), missä y = 0 on raon keskilinja Oletetaan, että dp/ < 0 (a) Näytä, että virtauksessa olevan fluidialkion tilavuus ei muutu (b) Laske fluidialkion kulmanopeusjakauma ω z (y) ja hahmottele tämän kuvaaja (c) Laske fluidialkion leikkausnopeusjakauma γ(y) (d) Selitä edellisten kohtien perusteella, miten fluidialkio deformoituu Ratkaisu (Kappale 61) (a) Fluidialkion tilavuuden muutos liittyy kokoonpuristumattomaan jatkuvuusyhtälöön Kokoonpuristumaton jatkuvuusyhtälö u x + v y + w z = 0 vaatii, että fluidialkion tilavuus ei muutu Tehtävän tapauksessa nopeutta on vain x-suuntaan, ja tämä nopeus riippuu vain y-koordinaatista Tällöin kaikki jatkuvuusyhtälön derivaatat häviävät ja annettu nopeusjakauma toteuttaa jatkuvuusyhtälön (b) Fluidialkion kulmanopeus z-akselin ympäri on määritetty lauseella ω z = 1 ( v 2 x u ) y Sijoittamalla annettu nopeusjakauma tähän, saadaan ω z (y) = 1 [ 0 1 dp ( y 2 h 2)] = dp/ 2 y 4µ 2y = dp/ y Tämän kuvaaja on suora, jossa kulmanopeus on positiivinen (alkion diagonaali kiertyy vastapäivään) keskilinjan yläpuolella ja negatiivinen (diagonaali kiertyy myötäpäivään) keskilinjan alapuolella, koska tehtävänannon mukaan dp/ < 0 (c) Leikkausnopeus on määritetty lauseella ( v γ = x + u ) y Sijoittamalla annettu nopeusjakauma tähän, saadaan [ γ(y) = 0 + 1 dp ( y 2 h 2)] = dp/ y 2y = dp/ µ y

Leikkausnopeus muuttuu myös lineaarisesti y:n funktiona saaden positiivisia arvoja (fluidialkion vasen alanurkka pienenee) keskilinjan alapuolella ja negativiisia arvoja (vastaava kulma kasvaa) keskilinjan yläpuolella (d) A-kohdan perusteella fluidialkion tilavuus ei muutu Tämän lisäksi a-kohdan perusteella voidaan sanoa, että fluidialkio ei deformoidu lineaarisesti mihinkään suuntaan, koska kaikki jatkuvuusyhtälön derivaatat häviävät C-kohdan perusteella voidaan todeta, että fluidialkio leikkautuu virtauksessa siten, että leikkautuminen on kaikkein voimakkainta levyjen lähellä ja leikkautuminen häviää keskilinjalla Fluidialkion leikkautuessa vaakasuorat suorat eivät kierry, mutta pystysuorat suorat kiertyvät keskilinjan alapuolella myötäpäivään ja keskilinjan yläpuolella vastapäivään Tehtävä 2 Virtauksen heilahteluja voidaan vähentää esimerkiksi tuulitunnelissa hunajakennomaisella rakenteella, jonka läpi fluidi virtaa ennen mittausaluetta Tarkastellaan kuvan mukaista mehupilleistä tehtyä hunajakennoa (kts esim https://wwwyoutubecom/watch?v=mrnrwywzdso) Kunkin pillin halkaisija on 3 mm ja pituus 10 cm Pillejä on yhteensä 1008 kpl Oletetaan, että virtausta tapahtuu ainoastaan pillien läpi, ei siis pillien väleistä Fluidi on 20 asteista ilmaa (a) Laske, kuinka suuri painehäviö hunjakennosta syntyy, jos keskimääräinen virtausnopeus hunajakennon läpi on 0, 5 m/s (b) Pidetään paine-ero hunajakennon yli samana kuin a-kohdassa Muuttuuko keskimääräinen virtausnopeus ja jos muuttuu niin miten, jos pillien halkaisija kaksinkertaistetaan, jolloin niiden lukumäärä tippuu neljäsosaan? Miten selität tämän tuloksen fysikaalisesti? Kuva 1: Tehtävän asettelu

Ratkaisu (Kappale 693) (a) Oletetaan, että virtausta pillissä voidaan approksimoida Hagen-Poisseuille -virtauksena Tällöin paine-eron ja yksittäisen pillin tilavuusvirran välille saadaan johdettua yhteys Tästä voidaan ratkaista suoraan paine-ero Tilavuusvirta on tässä tapauksessa Q = πr4 p p = Q πr 4 Q = V A pilli = V πr 2, missä V on keskimääräinen nopeus ja R on yksittäisen pillin säde Sijoitetaan tilavuusvirta paine-eron lausekkeeseen, jolloin saadaan p = V πr2 πr 4 Sijoitetaan tähän tunnetut arvot 1, jolloin saadaan = V R 2 p = 8 1, 813 10 5 0, 1 0, 5 0, 0015 2 Pa 3, 2 Pa (b) A-kohdan perusteella nähdään, että paine-eron ja keskimääräisen nopeuden välinen yhteys voidaan kirjoittaa muodossa V = pr2 Nopeuksien suhteeksi uuden tilanteen (2) ja alkuperäisen tilanteen (1) välille saadaan V 2 = p(2r 1) 2 V 1 pr 2 1 = 4 Samalla paine-erolla saavutettaisiin siis 4-kertainen nopeus Tosin heilahtelujen suodatus virtauksesta todennäköisesti heikkenisi hieman Tuloksen selittää se, että jokaisessa pillissä virtaus on tasapainossa eli fluidi ei kiihdy, koska fluidiin vaikuttavien voimien summa on nolla Fluidia ajavat ja jarruttavat voimat ovat siis yhtä suuret Kun pillien halkaisijaa kasvatetaan ja paine-ero pidetään muuttumattomana, pillin poikkipinta-ala ja siten paine-eron aiheuttama ajava voima kasvaa pillin halkaisijan toiseen potenssiin eli D 2 Samaan aikaan pillin sisäpinnan vaippa kasvaa myös, mutta vaipan poikkileikkausen piiri ja siten pinta-ala kasvaa halkaisijan ensimmäiseen potenssiin eli D Jotta voimat olisivat tasapainossa, pitää siis leikkausjännitysten pillin seinällä kasvaa (suhteessa D 2 /D = D) Jos halkaisija kaksinkertaistuu, myös leikkausjännityksen täytyy kaksinkertaistua Tämä tarkoittaa sitä, että nopeus kasvaa jyrkemmin pillin seinältä etäämmälle siirryttäessä Tämän lisäksi etäisyys seinältä pillin keskilinjalle kasvaa, jolloin nopeus kasvaa pidemmän matkan Näiden kahden tekijän seurauksena nopeus kasvaa halkaisijan toiseen potensiin eli kun halkaisija kaksinkertaistuu, nopeus nelinkertaistuu 1 Viskositeetin lähde: https://wwwengineeringtoolboxcom/air-absolute-kinematic-viscosity-d_601html

Tehtävä 3 Tarkastellaan virtausta kahden suuren ja yhdensuuntaisen levyn välissä, joista alempi on paikallaan ja ylempi liikkuu nopeudella U (kts kuva) Oletetaan, että raossa vaikuttaa lisäksi vakiopainegradientti dp/ (a) Määritä nopeusjakauma u(y) raossa (b) Oletetaan, että U = 3, 0 m/s, h = 1, 0 cm ja fluidi on SAE 15W-40 öljyä 20 asteen lämpötilassa Määritä painegradientti dp/, jolla leikkausjännitys alemmalla levyllä on nolla (c) Määritä ylempään levyyn kohdistuva leikkausjännitys b-kohdan tilanteessa Kumpaan suuntaan leikkausjännitys vaikuttaa? Kuva 2: Tehtävän asettelu Ratkaisu (Kappale 691) (a) Kahden yhdensuuntaisen levyn välisen virtauksen nopeusjakaumalle on johdettu yleinen ratkaisu u(y) = 1 y 2 + c 1 y + c 2 Tässä esiintyy kaksi tuntematonta vakiota eli c 1 ja c 2 Nämä voidaan ratkaista reunaehtojen avulla Nyt tiedämme, että alempi levy pysyy paikallaan eli u( h) = 0 ja ylempi levy liikkuu nopeudella U eli u(h) = U Ensimmäisestä ehdosta saadaan 0 = 1 Toisesta ehdosta saadaan vastaavasti U = 1 ( dp ) h 2 c 1 h + c 2 h 2 + c 1 h + c 2 Vähentämällä jälkimmäisestä ehdosta ensimmäinen saadaan Summaamalla ehdot saadaan ( 1 dp µ 2c 1 h = U = c 1 = U 2h ) h 2 + 2c 2 = U = c 2 = U 2 1 h 2

Jos saadut arvot tuntemattomille vakioille sijoitetaan nopeusjakauman lausekkeeseen, saadaan u(y) = 1 y 2 + U 2h y + U 2 1 h 2 = 1 (y 2 h 2) + U ( 1 + y ) 2 h Saatu nopeusjakauma on summa puhtaasti paineen ajaman virtauksen ja puhtaasti levyn liikkeen ajaman virtauksen nopeusjakaumista Näitä virtauksia kutsutaan usein vastaavasti Poisseuilleja Couette -virtaukseksi Tästä syystä nyt tarkasteltavaa virtausta kutsutaan joskus yhdistetyksi Poisseuille-Couette -virtaukseksi Lausekkeesta nähdään, että sen ensimmäinen osuus, joka vastaa paineen ajamaa virtausta, häviää molemmilla seinillä Jälkimmäinen osuus, joka vastaa levyn liikkeen ajamaa virtausta, häviää alemmalla seinällä ja antaa ylemmällä seinällä liikkuvan levyn nopeuden (b) Ratkaisu perustuu siihen, että lasketaan saadusta nopeusjakaumasta leikkausjännitys alemmalle levylle ja asetetaan se nollaksi, jolloin saamme ehdon painegradientille Leikkausjännityksen lauseke redusoituu tällaisessa virtauksessa muotoon τ yx = µ du dy, koska ainoa nollasta poikkeava nopeuskomponentti on u Tämä muoto on tuttu jo ensimmäiseltä viikolta Sijoittamalla tähän a-kohdassa saatu nopeusjakauma saadaan τ yx (y) = µ 1 2y + µ U 2h = y + µu 2h (1) Vaatimalla, että leikkausjännitys häviää alemmalla levyllä, saadaan 0 = h + µu dp = 2h = µu 2h 2 Sijoittamalla tähän tunnetut suureet 2, saadaan dp 0, 28723 3, 0 Pa = 2 0, 010 2 m 4310 Pa m (c) Leikkausjännitys ylemmällä levyllä saadaan aivan vastaavasti kuin b-kohdassa lausekkeella (1) Kohdassa y = h saadaan τ yx (y = h) = h + µu 2h Sijoittamalla tähän b-kohdan painegradientin lauseke, saadaan τ yx (y = h) = µu 2h 2 h + µu 2h = µu h = 0, 28723 3, 0 0, 010 Pa = 86, 169 Pa 86, 2 Pa Saadun leikkausjännityksen osalta on syytä huomata, että se on leikkausjännitys, joka vaikuttaa pintaan, jonka normaali on positiivisen y-akselin suuntaan Ylemmän levyn pinnalla, joka on kosketuksissa fluidin kanssa, pinnan normaali osoittaa negatiivisen y-akselin suuntaan Tämän vuoksi leikkausjännitys tällä pinnalla on yhtä suuri, mutta negatiivinen eli jännitys osoittaa negatiivisen x-akselin suuntaan 2 Viskositeetin lähde: https://wikianton-paarcom/en/engine-oil/