Laboratorn cvien 3 Vysok uen technick v Brn

Laboratorní cvičení 3 Vysoké učení technické v Brně, Fakulta stavební, Laboratoř vodohospodářského výzkumu Ústavu vodních staveb

Experimentální úlohy laboratorního cvičení 1. Reynoldsův pokus (laminární a turbulentní proudění) 1. 1 Teorie 1. 2 Experimentální úloha 1. 3 Příloha 2. Ztráty v potrubí (ztráty místní a ztráty třením) 2. 1 Teorie 2. 2 Experimentální úloha 2. 3 Příloha

1. Reynoldsův pokus 1. 1 Teorie Laminární proudění - vlákno kapaliny se pohybuje přímočaře a rovnoběžně se stěnami, je spojité a částice, které je tvoří, nemění navzájem svou polohu Proudění v přechodné oblasti - vlákno je spojité, není však přímočaré, ale je zvlněno do nepravidelných vlnovek, přičemž střední dráha částic je v první fázi stále rovnoběžná se stěnami. Ve druhé fázi je pohyb vlákna již nepravidelný Plně turbulentní proudění - vlákno se rozpadne a částice, které jej tvořily se dostávají do celého průtočného profilu.

Pomocí závislosti součinitele tření l na Reynoldsově kritériu Re je možné určit režim proudění tekutin. Závislost ukazuje Moodyho graf proudění vody v kruhovém potrubí.

Graf vyznačuje tři oblasti: Oblast laminárního proudění platí, že l = 64/Re a je omezena kritickou hodnotou Re < Rek = 2320 Přechodnou oblast platí, že l = f(Re, D/D) a je omezena hodnotami Rek < Rekv Oblast plně turbulentního proudění platí, že l = f(D/D) a je omezena hodnotou Re > Rekv

1. 2 Experimentální úloha Pohled na stanoviště

Postup měření A)Stanovte vnitřní průměr D trubic, D A) 1 = 0, 015 m; D 2 = 0, 025 m; D 3 = 0, 035 m. Teploměrem změřte teplotu vody T [˚C] vytékající z trubice. Nastavte laminární proudění - vlákno je spojité a rovnoběžné se stěnami. Nastavte průtok vody pomocí šoupěte na co nejmenší stálý průtok. Nastavte kulovým ventilem výtok barviva z trysky tak, aby nedocházelo k ovlivnění proudění v trubici. Objemovou metodou (odměrný válec a stopky) stanovte průtok vody Q [m 3/s] trubicí. Zvolna zvyšujte průtok vody trubicí a sledujte chování barevného vlákna. Vlákno barviva se začíná vlnit a rozpadat, proudění v přechodné oblasti, Rekv > Rek. Objemovou metodou stanovte průtok vody Q [m 3/s] trubicí. Zvolna zvyšujte průtok vody trubicí, až se pro jistý průtok vlákno zcela rozpadne a voda v trubici se zbarví. V tomto okamžiku je proudění plně turbulentní, Re > Rekv. . Objemovou metodou stanovte průtok vody Q [m 3/s] trubicí.

Vypočtěte průřezovou rychlost vody v potrubí v [m/s] a stanovte hodnotu Reynoldsova kritéria. Výsledek porovnejte s teorií. Uvedeným postupem prověřte vliv vnitřního průměru D [m] trubic. B) Kulovým uzávěrem zcela uzavřete přívod vody do skleněné trubice. Přítok barviva příslušným kulovým uzávěrem nastavte tak, aby se v oblasti ústí trysky vytvořil dostatečně výrazný barevný „mrak“ a přítok barviva zavřete. Opakovaně zvyšujte průtok vody trubicí a pozorujte vývoj nejprve laminárního (parabolického) a později turbulentního (pístového) rychlostního profilu po délce trubice. Zakreslete pozorované tvary.

Použité vztahy Průtok Průtočný průřez Průřezová rychlost Reynoldsovo kritérium Kinematická viskozita vody (T – teplota vody [°C]; D 1 = 0, 015 m; D 2 = 0, 025 m; D 3 = 0, 035 m)

1. 3 Příloha • • • Laminární proudění – rychlosti v potrubí Přechodná oblast proudění - rychlosti v potrubí Plně turbulentní proudění - rychlosti v potrubí Nastavení výtoku z trysky špatně – malá rychlost Nastavení výtoku z trysky špatně – velká rychlost Nastavení výtoku z trysky správně

Laminární proudění Rozložení rychlostí v ose řezu obdélníkového potrubí s poměrem stran větším jak 1: 2 Vykresleny jsou vektory rychlostí. Průřezová rychlost je 0, 01 m/s a šířka potrubí je 0, 1 m Legenda rychlostí je v [m/s]

Proudění v přechodné oblasti Rozložení rychlostí v ose řezu obdélníkového potrubí s poměrem stran větším než 1: 2 Vykresleny jsou vektory rychlostí. Průřezová rychlost je 0, 1 m/s a šířka potrubí je 0, 1 m Legenda rychlostí je v [m/s]

Plně turbulentní proudění Rozložení rychlostí v ose řezu obdélníkového potrubí s poměrem stran větším než 1: 2 Vykresleny jsou vektory rychlostí. Průřezová rychlost je 1, 5 m/s a šířka potrubí je 0, 1 m Legenda rychlostí je v [m/s]

Nastavení výtoku barviva z trysky malá rychlost vektory rychlostí rychlostní pole turbulentní kinetická energie

Nastavení výtoku barviva z trysky velká rychlost vektory rychlostí rychlostní pole turbulentní kinetická energie

Nastavení výtoku barviva z trysky správné nastavení vektory rychlostí rychlostní pole turbulentní kinetická energie

Ztráty v potrubí 2. 1 Teorie Při proudění skutečné kapaliny (vazká) potrubím dochází k úbytku mechanické energie, kterou způsobuje vnitřní tření kapaliny a tření kapaliny o stěny. Mechanická energie se třením přemění na jinou energii (teplo, akustické vlnění, deformace, atd. ). Ztráty energie (vyjadřujeme ztrátovou výškou hz) dělíme na dvě složky: • • Ztráty třením po délce hzt Ztráty místní hzm Tedy platí, že:

Ztráty třením po délce (Darcy-Weisbachova rovnice) Ztráty třením po délce Součinitel ztrát tření l se určuje v závislosti na režimu proudění: • Laminární proudění – • Plně turbulentní proudění a proudění v přechodné oblasti – (Colebrook-White)

Místní ztráty jsou charakterizovány rovnicí (Weisbach) Součinitel místních ztrát x je závislý na typu ztrát, geometrii prvku, na drsnosti a na hodnotě Reynoldsova kritéria. Pro Re > Rekv (plně turbulentní proudění) je součinitel místních ztrát x konstantní.

2. 2 Experimentální úloha Pohled na stanoviště

Postup měření: A)Ztráty třením po délce Změřte délku vybraného úseku potrubí L, změřte teplotu vody T a průtok Q Změřte rozdíl úrovní hladin Dh v piezometrech ohraničujících vybraný úsek Stanovte režim proudění v potrubí (Reynoldsovo kritérium) Vypočítejte hodnotu součinitele tření l B)Ztráty místní Změřte rozdíl úrovní hladin Dh v piezometrech ohraničující vybraný prvek Změřte délku vybraného úseku potrubí L Vypočítejte hodnotu součinitele místních ztrát x

Použité vztahy: Ztráta třením po délce Součinitel ztráty třením po délce (Blasius) Místní ztráta Průtok clonou Průřezová rychlost (Dc = 0, 0315 m; D 50 = 0, 050 m; D 125 = 0, 125 m; ac = 0, 6609)

2. 3 Příloha • • • Proudění v koleně ostrý oblouk (matematický model) Proudění v koleně pozvolný oblouk (matematický model) Proudění v t-kusu (matematický model) Proudění ve zúžení (matematický model) Proudění v rozšíření (matematický model) Proudění v redukci (matematický model) Proudění ve cloně (matematický model) Proudění okolo výstupku (matematický model) Proudění okolo prohlubně (matematický model)