M11 TESTEK KÖRÜLI ÁRAMLÁS VIZSGÁLATA

Átírás

1 M11 TESTEK KÖRÜLI ÁRAMLÁS VIZSGÁLATA 1. A mérés célja, gyakorlat jeletősége A mérés célja: - külöböző (égyzet, kör és dúcprofl) keresztmetszetű, oszlop alakú testek körül kalakuló áramkép vzsgálata áramlás megjeleítés módszer segítségével, - a testek körül kalakuló yomásmegoszlás meghatározása méréssel, - a kalakuló áramkép és a fal met yomásmegoszlás között kapcsolat meghatározása, - a mért yomásmegoszlás alapjá elleállás téyezők számítása, - a külöböző alakú testek körül kalakuló áramkép jellemzőek összehasolítása. A külöböző feladatok alapjá a megfelelő feladatok elvégzését a mérést vezető oktató állítja k. A gyakorlatba sokszor va szükség az áramlásba helyezett testek körül kalakuló áramlás jellemzők smeretére. Közülük a legfotosabbak az áramlás sorá a test körül kalakuló sebesség- és yomásmegoszlás, lletve a testre ható áramlás eredetű erő. Ezekek a jellemzőkek az smerete ge fotos, például közút járművekél, repülőgépekél a jármű damka meettulajdoságaak meghatározásához, vagy épületszerkezetek szlárdság méretezésél a szél hatására keletkező erők matt létrejövő terhelés meghatározásáál. A járművek körül kalakuló áramkép részletes smerete például azért s fotos lehet, mert aak jellege szoros összefüggésbe va a jármű falára felhordott szeyeződés meységével és 1

2 eloszlásával. A járművek külső felületéek elpszkolódása elle a jármű körül kalakuló áramlás jellemzőek befolyásolásával tuduk védekez. Egy másk érdekes jeleség, hogy egyes testek körül bzoyos áramlás körülméyek között perodkusa gadozó áramkép alakul k. Az dőbe perodkusa gadozó sebességtérhez gadozó yomástér kapcsolódk. Ha a test felülete meté kalakuló yomásmegoszlás dőbe perodkusa változk, akkor a testre ható eredő áramlás eredetű erő s perodkusa fog változ. Ha lye esetbe az a kedvezőtle helyzet alakul k, hogy a gerjesztés perodctása éppe megegyezk az áramlásba helyezett test mechaka rezgéseek sajátfrekvecájával, akkor rezoaca alakul k. Ekkor a mozgás ampltúdója addg ő, ameddg a mozgást segítő erők teljesítméye éppe megegyezk a mozgás sorá kalakuló veszteség folyamatokba felemésztett teljesítméyel. Ez az egyesúly azoba sok esetbe olya agy ampltúdójú mozgásokál áll be, am a szerkezet mechaka károsodásához vezethet. Ezért áramlásba helyezett, hosszúkás, lekerekített testekél az áramkép statkus jellemzőek vzsgálatát mdg k kell, hogy egészítse a damkus jellemzők vzsgálata. Jele mérés feladat a témakör alapvető gyakorlat megsmerésére ad lehetőséget laboratórum körülméyek között.. A mérőberedezés leírása 1. ábra: A mérőberedezés 3D-s vázlata A síkáramlás jellegű csatoraáramlások vzsgálatára alkalmas mérőberedezés két fő részből, az egyeletes kfúvás sebességprofl létrehozására alkalmas törpe szélcsatorából és a változtatható kalakítású mérőtérből áll. A teljes mérés kalakítást a rajta átáramló levegő áramlás ráya meté, a. ábráak megfelelőe a következő részek alkotják:

3 . ábra: A mérőberedezés D-s vázlata 1. Térfogatáram mérésre alkalmas beszívó mérőperem.. A levegő bevezetésére szolgáló szívócső. 3. Nyomásmérés hely, amely em más, mt a szívócső elejé, közvetleül a mérőperem utá található ks keresztmetszetű megcsapolás. Nyomásméréshez a megcsapolás csatlakozó csövét vékoy gumcsővel kötjük össze a yomásmérő megfelelő kvezetésével. Az tt mért yomásból a térfogatáram meghatározására yílk lehetőség. 4. Kétcsatorás dgtáls yomásmérő 5. A levegő mozgatását az elektromos motor hajtású radáls vetlátor végz. 6. A szélláda feladata az egyeletes sebesség-megoszlású klépő légsugár létrehozása. A szélládába a levegő először szűrőszövete halad át, majd egy kofúzoro keresztül lép k belőle. A szűrőszövet és a kofúzor s a radáls vetlátor yomócsokjából érkező egyeetle sebességprofl ksmítását szolgálja. 7. A mérőtér a vzsgálat tárgyát képező külöböző csatorakalakítások létrehozására alkalmas. A szélládából klépő közel egyeletes sebesség-megoszlású levegőáramot közvetleül vezetjük a változtatható geometra kalakítású mérőtérbe. A mérőteret alulról egy parafa borítású alaplap határolja (ebbe szúrhatók bele az áramlás megjeleítésre szolgáló zászlócskák (8)). elül egy átlátszó, plexből készült fedőlap, oldalt pedg külöböző hosszúságú, de azoos magasságú, változtatható helyzetű oldalfal elemek vaak. A kalakuló áramkép rajzolata az átlátszó fedlapo keresztül a légáramlás hatására szélráyba beálló zászlócskák segítségével válk megfgyelhetővé. 8. Áramlás megjeleítésre szolgáló zászlócskák. 9. Nyomásmérés helyek, amelyek segítségével a vzsgált test felülete meté kalakuló yomásmegoszlás lesz meghatározható. (Megjegyzés: A mérőtér alap- és fedlapja egymással párhuzamos sík felületek, az oldalfal mde egyes keresztmetszetbe ezekre merőlegese helyezkedk el. Így első megközelítésbe, a határréteg kszorító hatásáak elhayagolásával úgy tekthetjük, hogy az alaplap lletve fedlap síkjára merőleges ráyba a folyadékrészecskék em térülek el, lletve általába kmodható, hogy ebbe az ráyba sokkal ksebb mértékbe változak az áramlás jellemzők, mt a mérőtér síkjába fekvő másk két ráy meté. A mérőteret eze sajátossága tesz alkalmassá arra, hogy segítségével vszoylag egyszerűbb, kétdmezós síkáramlásokat vzsgálhassuk.) 3

4 Az előzőekbe leírt alap-mérőberedezés mellett más kegészítő beredezésekre, így például barométerre, hőmérőre és mérőszalagra s szükség lesz a mérés elvégzése sorá. 3. A mérés feladat részletes leírása, alapvető vzsgálat és a kértékelés szempotok A 1. potba megfogalmazott probléma kterjedt vzsgálata ge sok dőt géyele. Ezért a mosta mérés gyakorlat egy, a témához kötődő bevezető mérés feladat, három külöböző keresztmetszete: A. égyzet, B. kör, C. dúcprofl Az alább vzsgálatokat célszerű elvégez: 3.1. Az áramlásba helyezett test körül kalakuló áramkép vzsgálata áramlás megjeleítés módszer segítségével, sebességprofl mérése Pradtl-csővel a csatora be- és klépő keresztmetszetébe Első lépéskét a mérőtér alaplapjá a megfelelő oldalfalelemek összellesztésével és a vzsgálat tárgyát képező test behelyezésével k kell alakíta a mérőteret. Ez utá az áramkép rajzolatáak megfgyelését úgy végezhetjük el, hogy az alaplap parafa borításába a szabad áramlás térbe elosztva olya gombostűket szúruk, amelyek végére mm hosszú, lágy, bolyhos ayagból készült, vékoy foalat kötöttük. A feladat jellegét fgyelembe véve mm-es gombostűk között távolság sűrűek, mm-es távolság rtkáak tekthető. Természetese, ahol az áramkép ks távolságo belül agyot változk (a vzsgált testhez közel) ott sűrűbbe, míg a kegyelített területe (a vzsgált testtől távol) rtkábba érdemes elhelyez az áramlás ráyát jelző zászlócskákat. A gombostű a céraszálat olya magasa kell elhelyez, hogy az megközelítőleg a csatora középsíkjába helyezkedje el. Az áramlás megdulása utá a foaldarabkák az áramlás ráyába állak be. Ha zászlócskákat megfelelőe helyeztük el, a foalak elhelyezkedéséből krajzolódk a csatoraáramlás áramképe. A vzsgálat dokumetálásához szabadkéz rajzot kell készíte a megjeleő áramképről, lehetőség eseté féyképet lehet készíte róla. A rajz elkészítéséél külöös fgyelmet kell szetel az áramképbe mutatkozó ráytörésekek, leválásokak és azo helyekek, ahol a foaldarabkák vsszaáramlást, vagy gadozó ráyú sebességet mutatak. A kalakuló leválás buborékok körvoalát külö célszerű feltütet az ábrába. A csatora belépő keresztmetszetébe Pradtl-csöves sebességmérést végzük, és az abból kapott sebességproflt, ll. aak egyeletességét elleőrzésképpe a mérőperemes térfogatáram mérésből kapott átlagsebesség értékével összevetjük. Az átlagsebességet a Pradtl-csővel mért meység mérésre voatkozó előírások szert határozhatjuk meg a keresztmetszetek potjaba mérve (lásd. potokét sebességmérés). A mérőpotokat a belépő keresztmetszetbe 7-15 mm két célszerű felve. A mérés eredméyeket táblázatos formába és dagramba, a mérőperemes térfogatáram mérésből kapott átlagsebességgel összevetve kell prezetál. 4

5 3.. Az áramlásba helyezett test felülete meté kalakuló yomásmegoszlás meghatározása méréssel A sebességtér mellett a folyadékáramlások másk fotos jellemzője az áramló közegbe uralkodó yomás értéke. Az áramképbe bekövetkező változásokat általába hűe kísér a yomás módosulása. A mosta mérés alkalmával a vzsgált test felülete meté kalakuló yomás-megoszlást kell meghatároz, és a kalakuló áramkép, lletve a test fala met yomásmegoszlás között kapcsolatra kell megállapításokat te. A test fala meté a yomásokat a test felületé kalakított yomásmérés megcsapolásokál dgtáls yomásmérővel határozhatjuk meg. A yomásmérő egyk csatlakozóját gumcső segítségével össze kell köt aak a potak a yomásmegcsapolásával, ahol a yomás értékét meg szereték határoz. A maométer másk bekötését a csatora bevezető szakaszáak oldalá található yomás megcsapolásokhoz kötve a yomásmérő mdg a köryező zavartala áramlás statkus yomásához képest mérhető túlyomás lletve depresszó értékét kapjuk meg az adott mérés potba. Ilye módo, a yomásokat egyekét lemérve megkaphatjuk a teljes fal met yomásmegoszlást. A vzsgálathoz felhaszált mérőberedezést és a feladat jellegét fgyelembe, heger eseté célszerű a mérés potokat 5 o -két felve. Négyzet alapú hasáb eseté a mérés potok elosztása a mérőberedezés kalakítása matt korlátozott, fx távolságra vaak elosztva. A mérések eredméyét dagramba kell feltütet. Az áramkép és yomásmegoszlás brtokába célszerű azokat összevet és a köztük mutatkozó kapcsolatot megkeres és feljegyez Az áramlásba helyezett testre ható elleálláserő, a statkus yomástéyező és az elleállás téyező meghatározása A kértékelés sorá a yomásmérésekből yomáskülöbséget kell számol, amt a szög, vagy helykoordáta függvéyébe, dagramba kell ábrázol. Meg kell határoz a yomástéyező (c p ) értéket (1) alapjá, amt a fetekhez hasolóa, szté dagramba kell ábrázol. ahol c p, p lev v c p, [-] yomástéyező az -edk mérőpotba p [Pa] yomás az -edk mérőpotba lev [kg/m 3 ] áramló közeg (tt levegő) sűrűsége v [m/s] zavartala áramlás sebesség A 3.1 és 3. potokba bemutatott vzsgálat módszerek a test körül kalakuló áramlás jeleségek részletes elemzését szolgálják. A ap mérök gyakorlatba azoba legtöbbször szükségtele az lye részletes leírás. Helyette sokszor elegedő a testre ható elleálláserő, lletve az ezzel összefüggésbe meghatározott dmezótla meység, az elleállás-téyező smerete. Az áramlásba helyezett testre ható erőt úgy lehet meghatároz, hogy a test teljes körüláramlott felületét az egyes yomásmérés potokak megfelelőe részfelületekre osztjuk úgy, hogy a yomásmérés pot a részfelület súlypotjába essék. A részfelületekre ható yomásból származó erők vektoráls összege a testre ható teljes erőt adja: 1 1 p A e p h L e 1 5 (1) ()

6 ahol: [N] Az áramlásba helyezett testre ható eredő erő. [db] A mérés potok lletve a részfelületek száma. [N] Az -edk részfelületre ható erő. p [Pa] Az -edk részfelület köryezetébe uralkodó yomás. A m Az -edk részfelület agysága. e A felület ormáls ráyú egységvektor. h [m] A részfelület darab szélessége L [m] A részfelület darab magassága. Körheger eseté az eredő erő x és y ráyú összetevőjét az alábbak szert határozhatjuk meg: x p LR 1s cos x 1 1 (3) y p LR 1s s y 1 1 A bevezetett változók értelmezéséhez lásd a 3. ábrát. Y (4) R x h y X Végül az eredő áramlás erő smeretébe aak bármlye felbotását előállíthatjuk. Így például az áramlástaba szokásos az eredő erő megfúvás ráyal párhuzamos és arra merőleges összetevőjekét meghatározott elleálláserő e és felhajtóerő f haszálata. Jeleleg vzsgálatak sorá az elleálláserőt, lletve az ezzel összefüggésbe bevezetett dmezótla jellemző, az elleállás-téyezőt, c e -t keressük. Az elleállás-téyezőt az alább összefüggés segítségével határozhatjuk meg: c e e (5) lev v Ao 3. ábra: A változók értelmezése 6

7 ahol: e [N] az elleálláserő. pl lev RTt kg m 3 az áramló közeg sűrűsége. p l [Pa] légkör yomás. R= 87 J kgk a levegő specfkus gázálladója. T t [K] közeg hőmérséklet A o m a test áramlás ráyú vetületéek a agysága. q v v A [m/s] az áramlásba helyezett test megfúvás sebessége. A m a szabad csatora-keresztmetszet agysága. 3 q v m s a mérőcsatorába áramló közeg térfogatárama A q v térfogatáramot a radáls vetlátor szívócsövéhez csatlakozó beszívó mérőperemmel mérjük meg. eltételezzük, hogy a redszerbe levegő csak beszívó mérőpereme keresztül jut be, és a mérőtér klépő keresztmetszeté lép k. A mérőkalakítás egyéb része légtömörek, így a sűrűség álladósága matt a mérőredszer bármely keresztmetszetébe az átáramló térfogatáramok azoosak. Beszívó mérőperemmel a q v térfogatáramot az alább módo határozzuk meg. A beszívócső elejére kocetrkusa elhelyezett körlap alakú szűkítő elem utá közvetleül elhelyezett yomásmegcsapolásál megmérjük a légkör yomáshoz képest depresszó, p mp értékét. A p mp függvéyébe a q v térfogatáramot az alább összefüggés segítségével határozhatjuk meg: q v d 4 p lev mp (6) 3 ahol: q v m s a mérőredszere átáramló térfogatáram []. [-] átfolyás szám, amelyek értéke a keresztmetszet szűkítés vszoyától és a Reyolds-számtól függ. értékét kísérletek alapjá összeállított táblázatokból lehet meghatároz. Beszívó mérőperemél, jele mérés sorá az átömlés téyező értékét jó közelítéssel 0,6-ak vehetjük. [-] expazós szám, amelyek értékét a jele mérés sorá előforduló vszoylag ks yomásváltozások matt 1-ek vehetjük. d [m] a mérőperem átmérője. p mp [Pa] a mérőpereme kalakuló yomásesés agysága. lev kg m 3 az áramló közeg sűrűsége. Ezek alapjá az elleállás-téyező számíthatóvá válk. Az 1. táblázat tájékoztató adatokat tartalmaz éháy test elleállás-téyezőjéről a megfúvás ráy függvéyébe. 7

8 3.4. Az elvégzett vzsgálatokról a mérés jegyzőköyvet a []-es alapjá kell elkészíte Mde esetbe rögzíte kell a testek körül kalakult áramkép foalakkal megjeleített képe A hbaszámítást az alább meység(ek)re kell a let vázolt módo elvégez: Az elleállás-téyező kfejezése: az abszolút hba számítása: relatív hba: ce q p A k v A csatora A test (7) ce ce c e X (8)? 1 X ce (9) ahol az X mért meységek: X =p 0 X 3 =T 0 X 3 =p X 4 =p mp hozzájuk kapcsolódó mérés hbák: p 0 =100 Pa 0 = 1K p= Pa p= Pa A mérés sorá em szabad megfeledkez - A mérőberedezés bekapcsolása előtt, lletve általába a mérőberedezés üzeme sorá mdg meg kell győződ a balesetmetes mukafeltételek teljesüléséről. A bekapcsolás és a mérés közbe végrehajtott változtatásokról a beredezés köryezetébe dolgozókat fgyelmeztet kell. - Mde mérés alkalommal a légkör yomás és teremhőmérséklet feljegyzéséről! - A felhaszált mérőműszerekről leolvasott értékek mértékegységéek és a rájuk voatkozó egyéb téyezők feljegyezéséről. - A felhaszált mérőműszerek típusáak, gyártás számáak és a bee lévő mérőfolyadék sűrűségéek feljegyezéséről! - A mérőműszerekről leolvasott meységek, és a tovább számításokál felhaszált meységek mértékegységéek egyeztetéséről. - A dgtáls yomásmérő kalbrácójáról! - A yomásmérő bekötéséél fgyelmese kell eljár a csatlakozók "+" lletve "-" ágáak és a méréshatár kválasztásáál. gyel kell arra, hogy a yomásmérő csatlakozó csokjara a gumcsövet óvatosa kell felhelyez. - A mérőtérbe a vzsgált csatora összeállításáál vgyáz kell a légtömör szerelésre, mert az esetlegese kalakuló réseke távozó lletve beáramló levegő jeletőse megváltoztathatja az eredetleg szádékolt áramlás jellegét. - A yomásközlő gum, vagy szlko csöveket mérés előtt, esetleg közbe s célszerű elleőrz, ehogy repedés, szakadás legye rajtuk, mert lyukas mérőcső eseté az összes addg mérés eredméy kárba vész. Krtkus potok a műszerekre ll. a yomáskvezetésekre törtéő csatlakoztatás helye. - A jegyzőköyv leadása előtt erőse ajálott a kozultácók géybevétele. Irodalom [1] Lajos Tamás: Az áramlásta alapja, Műegyetem Kadó, Budapest 004 [] 8

9 táblázat Elleállás téyezők Re= Reyolds-szám tartomáyba 3D testek oszlopos testek Test típusa, Test típusa, c megfúvás ráya e [-] megfúvás ráya c e [-]