Transcript (1) do
Wykład 5 RÓWNOWAGA WZGLĘDNA PŁYNU 1. Równowaga względna płynu w ruchu postępowym, prostoliniowym, jednostajnie przyśpieszonym. z a x a q a a g Wyznaczamy powierzchnię jednakowego ciśnienia. Ogólnie równanie ma postać: (1) Składowa jednostkowe siły masowej wynoszą: (2) Po podstawieniu (1) do (2) otrzymamy: (3) a po scałkowaniu (4) Po przekształceniu otrzymamy kierunkowe równanie płaszczyzny nachylonej do poziomu pod kątem a , oznaczonym na rys. 1. (5) zatem (6) Widać zatem, że w rozpatrywanym przypadku powierzchnie jednakowego ciśnienia są płaszczyznami nachylonymi do poziomu pod kątem a . z a x a Rozkład ciśnienia wyznaczamy z zależności (7) Która po podstawieniu wartości składowych jednostkowej siły masowej, określonym równaniem (2) przybiera postać. (8) Po scałkowaniu (9) Stałą c wyznaczamy z warunku, że gdy x=0 i z=0, to p pb , zatem c pb . Równanie (9) przybiera więc postać: (10) 2. Równowaga względna cieczy w ruchu jednostajnie obrotowym wokół pionowej osi. z w H h w 2x z0 g q x x R r w 2x 2 w y r w2y Składowe jednostkowe siły masowej wynoszą: X Y Z (11) Po podstawieniu do równani (1) otrzymamy: (12) Po scałkowaniu (13) Ponieważ x2 y2 r2 , to równanie (13) przybiera postać (14) z w H h z0 x Równanie swobodnej powierzchni cieczy wyznaczamy dobierając stałą c tak, aby dla r=0 współrzędna z z0 (wierzchołek paraboli). Stała c gz0 . Po podstawieniu do (14) otrzymujemy równanie swobodnej powierzchni cieczy w postaci (15) lub (15a) z0 - współrzędna z wierzchołka paraboli Jeśli naczynie w stanie spoczynku było wypełnione do wysokości h, to z0 wyznaczamy z porównania objętości z H h z0 x (16) (16a) Dla r R, z H z0 z równania (15) otrzymujemy Po podstawieniu do (16) i uproszczeniu (17) skąd współrzędna . Po podstawieniu do równania powierzchni (15) otrzymamy (18) ROZKŁAD CIŚNIEŃ Po podstawieniu (11) do (7) otrzymamy; (19) Po scałkowaniu (20) a po przekształceniu (21) Stałą c wyznaczamy z warunku: r 0, z z0, p=p0 to c=p0 gz0 i po podstawieniu jej do równania (21) otrzymamy równanie na rozkład ciśnienia w postaci: (22) Gdzie występuje największe ciśnienie? 3. Równowaga względna płynu w ruchu jednostajnie obrotowym wokół poziomej osi. a) w naczyniu całkowicie wypełnionym cieczą z w w2 r OO1M M r g 2 O1 x O q g B A MAB Składowe jednostkowe siły masowej wynoszą: (23) Po podstawieniu do równania jednakowej powierzchni ciśnienia Xdx+Ydy+Zdz=0 otrzymamy: (24) Po scałkowaniu (25) a po przekształceniu (26) Jest to równanie powierzchni walcowych o osi przesuniętej w górę względem osi obrotu o odległość OO1. Odległość tę wyznaczamy z podobieństwa trójkątów O1OM i MAB: OO1 / r g / rw2 , zatem OO1 g /. w2 Po podstawieniu składowych siły masowej (23) do równania na rozkład ciśnienia otrzymamy: (27) które po scałkowaniu przybiera postać (28) lub (29) Gdy w to OO1 0 i powierzchnie ekwipotencjalne stają się walcami o osi pokrywającej się z osią obrotu (warunek brzegowy r=0, z=0 to p=pb). Wzór na rozkład ciśnienia przybiera postać (30) b) w naczyniu nie wypełnionym całkowicie cieczą W naczyniu nie wypełnionym całkowicie cieczą równowaga względna zachodzi dopiero przy dostatecznie dużej prędkości kątowej. Gdy , w to OO1 0, a wzór na ciśnienie przybiera postać: (31) w a r 2 z r M x O=O1 pb r0 Przykład 1: Naczynie wypełnione wodą o gęstości ρ=1000kg/m3 obraca się jednostajnie wokół osi pionowej. Średnica naczynia wynosi D=2R=2m. Obliczyć prędkość kątową przy której zwierciadło wody dotknie dna naczynia. Poziom cieczy w stanie spoczynku wynosi H=10m. z ω D V’ h H x Objętość paraboloidy obrotowej 1 V ' D2h 8 Z bilansu objętości wynika, że D2 D2 1 H h D2h 4 4 8 h 2H (32) (33) (34) Równanie powierzchni ekwipotencjalnej (15a) ma postać z 1 2 2 wr 2g (35) Dla punktu z=h i r=R i podstawieniu (34) h skąd w 1 2 2 w R 2H 2g 4gH 2 R 4g 10 rad 19,8 s 12 (36) (37) Przykład 2: Naczynie cylindryczne o średnicy D i wysokości H wypełniono całkowicie cieczą. Jaka objętość cieczy przeleje się przez obrzeże naczynia jeśli wiruje ono z prędkością kątową ω. z 1 V D2h 8 ω z(R) H 1 2 2 w R z0 2g h V h H z0 1 2 2 wR 2g H z0 D x 1 2 1 V D w 2 R2 8 2g D 4w 2 64 g Przykład 3 Zbiornik stożkowy o wymiarach R i H, napełniony całkowicie cieczą, wprowadzono w ruch jednostajnie obrotowy wokół pionowej osi. Przy jakiej prędkości kątowej powierzchnia swobodna cieczy będzie styczna do ściany zbiornika ? Równanie swobodnej powierzchni cieczy ma postać: r2w2 z z0 , 2g (1) a po przekształceniu r 2g w z z0 . (2) Pochodna dr/dz wynosi 2g dr 1 , dz 2w z z0 a w punkcie z=H odpowiednio 2g 1 R dr tg a . dz 2w H z0 H z H (3) (4) Równanie (1) dla z=H i r=R przybiera postać: H z0 R2w2 / 2g 1 2g 2 2. H z0 R w (5) Stąd 1 H z0 2g . Rw (6) Po podstawieniu równania (6) do (4) otrzymamy: 2g 2g R 1 w gH H 2w Rw R (7) Przykład 4 Zbiornik w kształcie sześcianów o boku b wirują w płaszczyźnie poziomej w odległości r od osi obrotu. Oblicz liczbę obrotów n, przy której ściany zbiorników bliższe osi będą suche. Zapiszemy równanie swobodnej powierzchni cieczy dla r i r+b r2w 2 z z0 2g z z0 b r b 2 w2 2g . (1) (2) Po odjęciu stronami wyrażenia (2) i (1) 2 w b r b r , 2g 2 stąd 2 2gb r 2 2rb b2 r 2 w2 w (3) 2g . 2r b (4) Prędkość obrotowa wynosi n 30 2g , obr . min 2r b (5) Przykład 5 Znaleźć kształt powierzchni jednakowego ciśnienia dla cieczy wypełniającej naczynie cylindryczne wirujące dookoła pionowej osi i zsuwającej się po gładkiej osi nachylonej do poziomu pod kątem. Na cząstkę cieczy w dowolnym punkcje M działają siły masowe: rw2, g, gsina . Składowe jednostkowej siły masowej wynoszą odpowiednio: X w 2x g sin a cos a , Y w 2y, Z g g sin2 a. Równanie powierzchni jednakowego ciśnienia przybiera więc postać: w x gsin a cos a dx w y dy g gsin a dz 0. 2 2 2 Po scałkowaniu : 1 2 2 w x y2 gx cos a sin a gz cos2 a c. 2 Powierzchnie jednakowego ciśnienia mają więc kształt paraboloid obrotowych Przykład 6 Zamknięte naczynie cylindryczne o średnicy D i wysokości H wypełnione jest cieczą do wysokości h. Przy jakiej prędkości kątowej paraboloidy tworzącej powierzchnię swobodną dotknie dna. a) Dla h<H/2 Równanie powierzchni swobodnej ma postać (z0 0) r2w 2 z 2g a w punkcie A zachodzi równość R2w2 D2w2 h1 . 2g 8g (1) Wysokość paraboloidy obrotowej h1wyznaczamy z porównania objętości nad powierzchnią swobodną w czasie spoczynku i w czasie ruchu. R 2 H h Po wymnożeniu 1 R 2h1 R 2 H h1 . 2 R 2H R 2h 1 R 2h1 R 2H R 2h h1 2h. 2 (2) (2a) Po podstawieniu do (1) otrzymamy: 4 w gh. D b) Dla h>H/2 (3) Równanie powierzchni swobodnej ma postać ( z0 0) r2w 2 z 2g a w punkcie A zachodzi równość r12w2 H . 2g (4) Wartość promienia r1 wyznaczamy z porównania objętości nad powierzchnią swobodną w czasie spoczynku i w czasie ruchu. D2 stąd 4 H h r12 r1 2 D2 H h . H, 2H Po podstawieniu (6) do (4) otrzymamy: w 2H g . D Hh (5) (6) (7)