Laboratorní mení Taylorových vír a jiných nestabilit vizualizací

Transkript

1 VŠB Technical University Ostrava Fakulta strojní Katedra hydromechaniky a hydraulických zaízení Návody pro laboratorní cviení: Laboratorní mení Taylorových vír a jiných nestabilit vizualizací Ostrava 2004 Autoi: Ing. Jií Farnik Ing. Petr Bonczek Doc. RNDr. Milada Kozubková, Csc.

2 Obsah: 1. Úvod do problematiky Popis micího zaízení Postup mení Vyhodnocení mení...7 2

3 1. Úvod do problematiky Toto laboratorní m ení je zam eno na zkoumání hydrodynamických nestabilit vznikající u Taylor-Couetteova proud ní mezi dv ma koncentrickými válci, z nichž jak vnit ní válec tak i vn jší válec mají možnost rotovat kolem své osy. Proud ní skute né kapaliny mezi válci je modifikací Couetteova proud ní vyvolaného unášením jedné z paralelních rovin tvo ících mezeru. U vn jšího stojícího válce se vytvá ejí toroidní víry, které byly nazvány po G. I. Taylorovi, který tento problém v roce 1923 popsal, víry experimentáln p edvedl a zd vodnil i teoreticky jejich tvorbu. Taylorovy víry jsou významnou koherentní strukturou p i p echodu do turbulence. Jsou p íkladem nestability, která nemusí nutn vést k turbulenci, ale pouze vede ke zm n charakteru laminárního proud ní. Kritériem stability je zde Taylorovo íslo.vývoj struktur proudu, které se vyvíjejí od základního laminárního proud ní s trajektoriemi koncentrických kružnic, p es nestability ve form toroidních vír závisí na kritické hodnot Taylorova ísla, které je funkcí úhlové rychlosti vnit ního rotujícího válce. Se zvyšováním otá ek se na toroidní víry superponuje vlnový pohyb. Další fází jsou modulované víry a pak p echází toto proud ní do turbulentního, charakterizovaného dalšími strukturami. Posledním stadiem je vyvinutá turbulence tzv. chaos. Toto schéma vývoje platí pouze pro rotaci vnit ního válce. Jiné schéma vývoje m žeme dosáhnout p i souhlasné rotaci i protirotaci válc. Jako první nestability se mohou pak vytvá et nap. spirálové nestability i jiné druhy nestabilit. Schéma postupného vývoje proud ní v meze e mezi dv ma válci (vn jší válec stojí) : Couetteovo proud ní TVF WVF MWVF Turbulence P íklad schématu postupného vývoje proud ní v meze e mezi dv ma válci pro no=-300 min-1 (oba válce rotují) : Couetteovo proud ní Spirálové proud ní Separované spirály 3 Kombinovaný režim Vlnový režim WVF

4 2. Popis micího zaízení Základem micího zaízení (viz. Obr. 1) je stabilní nosná konstrukce, ve které je zabudován tífázový asynchronní elektromotor.1 o výkonu 1,5 kw typu Elektrim 2SKg90S2, který umožuje dosáhnout maximální otáky vnitního válce 1 n max = 2840 min. mící aparát elektromotor.2 nosná konstrukce elektromotoru. 2 sníma kroutícího momentu elektromotor.1 nosná konstrukce mícího aparátu Obr. 1 Micí zaízení Jeho hnací hídel je pes spojku vyvedena ke snímai kroutícího momentu firmy Vibrometer AG. Výstupní hídel snímae momentu je spojena spojkou s hídelí vnitního válce. Elektromotor je ovládán pomocí frekvenního mnie.1 Varispeed 616G5, který umožuje plynulou regulaci otáek v rozsahu 30 až 2800 min -1. Tento pístroj také slouží jako sníma otáek, momentu a dalších charakteristik. Pi zapnutí do elektrické sít nastaví technikou Plug&Play optimáln všechny parametry elektromotoru. Na druhém nosném stojanu je upevnn elektromotor.2, který pohání vnjší válec. Jedná se o stejný typ motoru jako byl výše popsán, vnjší válec však pohání jiným zpsobem. Na výstupní hídeli je umístna emenice, ve které je osazen emen, který penáší kroutící moment motoru na druhou emenici, která je pevn spojena s spodní pírubou experimentálního zaízení a otáí tak vnjším sklenným válcem. Elektromotor.2 je ovládán pomocí frekvenního mnie.2 Rexroth - Idramat Refu Drive 500, který umožuje plynulou regulaci otáek v rozsahu min -1. 4

5 Parametry mícího zaízení: R o = 65 mm polomr vnjšího válce R i = 77 mm polomr vnitního válce d = 12 mm tlouška mezikruží (R i - R o ) L = 170 mm...délka vnitního válce i úhlová rychlost vnitního válce o...úhlová rychlost vnjšího válce i m pomr polomr geometrický faktor Ri η = = 0,841 Ro L Γ = =13,9 d o Obr. 2 Schéma zkoumané oblasti 3. Postup mení Ped poátkem každého mení je teba zapsat atmosférické podmínky v laboratoi a to teplotu vzduchu t vz a atmosférický tlak p b.teplota pi mení by se mla pohybovat v rozmezí o C. Pekontrolujte elektrická zaízení (elektromotory.1 a.2 a jejich ovládání - frekvenní mnie) zda jsou funkní tím, že je pipojím do elektrické sít a sleduji zda na displeji nebo kontrolkách frekvenních mni se nezobrazí chybová hlášení. Pekontrolujte také emenový pohon pro vnjší sklenný válec zda emen není poškozen a je dobe nasazen na emenice a dostaten napnut. Podle poteby (nap. pi zkoumání závislosti na teplot) odeberte vzorek oleje z pístroje a urete pesn jeho viskozitu pomocí Rheo-Höpplerova viskozimetru. Pro lepší vyhodnocení pokusu lze také použijte nalepovací teplomr, který pilepíte na sklenný válec a s jeho pomocí sledujete zahívání oleje uvnit mezikruží. Pokud teplota oleje pekroí poátení teplotu o 10 C, pak je nutné mení perušit a ekat na navrácení teploty do pvodního stavu. 5

6 Ped vlastním zapoetím mení je teba olej s pímsí hliníkových ástic, které jsou v obsaženy v množství cca 5g na celkový objem oleje, dkladn promíchat po dobu 4 min pi otákách vnitního válce nejmén 300 min -1, které jsou dostatené k dokonalému promísení oleje. Pipravte tabulky pro vlastní mení, do které se budou zapisovat namené hodnoty otáek, pi kterých dochází k vizuální zmn vírových struktur proudní i jiných sledovaných veliin, jako nap. teplota oleje t oleje. Po ádném promíchání zaízení zastavte na dobu 2 min a mžete zahájit mení od nulových otáek. Pi vlastním mení postupujte následovn: otáky vnjšího válce nastavte frekvenním mniem.2 na konstantní hodnotu (mení nestabilit proudní u protirotujících i soubžn rotujících válc) a otáky vnitního válce zvyšujte postupn s krokem 5 min -1. Pi každé zmn otáek cca 1 2 minuty nechte ustálit proudní sledujte, zda nenastane vizuální zmna proudní. Pokud ano, vrate otáky zpt o 10 min -1 a zvyšujte otáky s krokem 1 min -1. Tím vyšetíte pesn, pi jakých otákách nastal rozvoj nové vírové struktury. Pokud budeme poizovat fotodokumentaci i videozáznam mení je teba se seznámit s ovládáním pístroj (videokameru nebo digitální fotoaparát), které jsou k dispozici na katede. Pevedením fotografií i videozáznamu do PC, lze dále tuto dokumentaci dle poteby lépe zpracovávat. 6

7 4. Vyhodnocení mení Tabulka namených a vypotených hodnot Evoluce Druh proudní Délka mezikruží L = 170 mm mené veliiny poítané veliiny n i n o m p T c1 T c2 T c2 / T c1 min -1 min n i.otáky vnitního válce n o.otáky vnjšího válce m..íslo modu (1 modus obsahuje pár rotujících vír s opanou orientací viz. Obr. 2) p..je poet vír vzniklých ve válcové mezee a je definován jako p = 2 m + 2 pomr úhlových rychlostí ω o µ = ω i T c1 první kritické Taylorovo íslo Tc 1 ωi Ri d = ν d R i T c2 druhé kritické Taylorovo íslo T c2 (1,1 100) T c1 7