Tanév,félév Tantárgy Képzés Mérés
Nap Hét A mérés dátuma
2010/2011 1. Áramlástan GEATAG01 egyetem x főiskola A B C kedd 12-14 x páros páratlan
2010.??.??
A MÉRÉSVEZETŐ OKTATÓ TÖLTI KI ! DÁTUM PONTSZÁM MEGJEGYZÉS
MÉRÉSI JEGYZŐKÖNYV M4. számú mérés
Testek ellenállástényezőjének mérése NPL típusú szélcsatornában Mérőcsoport:
?. sz. mérőcsoport (A) XYYXYXYXX (B) YXYXYXYXX (C) XYXYXYXYX
NEPTUN kód ?????? ?????? ??????
Kijelentem, hogy a jegyzőkönyvet a fentebb megnevezett mérőcsoport által végzett mérés alapján én készítettem. Jegyzőkönyvet készítette /mérésvezető/: XYXXYYXXY
[email protected] Mérésvezető oktató:
XYXYXYXXYX
Mérés helye: BME Áramlástan Tanszék, Nagy Laboratórium Mérési jegyzőkönyv beadásának dátuma: Budapest, 2010.??.??.
1., A mérés célja Az áramlásba helyezett testekre ható erők, nyomatékok ismerete fontos az épületek, tartószerkezetek, járművek tervezésénél. Jelen mérésnél egy lap áramlási ellenállását határozzuk meg, vizsgálva a lap geometriájának változására bekövetkező erőváltozásokat. Az adott feladatban különböző lekerekítésű, az áramlásra merőlegesen behelyezett síklapok ellenállás-tényezőjének mérése a feladat, tekintettel az ellenállástényező lekerekítés szerinti változására.
2., A mérés rövid leírása, berendezés, mérendő testek bemutatása
A tanszék NPL (National Physical Laboratory) típusú szálcsatornája egy zárt mérőterű beszívó csatorna. A mérőtér 500×500 mm keresztmetszetű, hossza 2 m. Előtte találjuk a konfúzoros beszívó szájat egyenirányítóval, szitákkal felszerelve, ami a sebesség egyenletesítését biztosítja. A konfúzor mögött a szélcsatorna és az atmoszféra közötti Dpk nyomás-különbség mérhető a kialakított atmoszféra közötti Dpk nyomás-különbség mérhető a kialakított körvezetéken. Ennek mérési helye úgy lett kialakítva, hogy számítható legyen a mérőtér középső részében érvényes sebesség.
A méréséhez Betz-rendszerű manométert, vagy kézi digitális manométert lehet használni.
A mérőtér után egy diffúzor következik, majd a levegőt áramoltató ventilátor. A ventilátort egy egyenáramú motor hajtja, amelynek a fordulatszáma 0¸1500 1/perc között folytonosan változtatható egy potenciométer segítségével. A megfúvási sebesség így 0¸15 m/s között változtatható. A mérendő testet egy, a csatorna tetejére felszerelt mérleg mérőtérbe nyúló karjára kell felszerelni. A másik kar egy elektronikus mérlegre támaszkodik, ezzel mérhető a testre ható erő. Mérendő testek:
3. Mérés elve, mérendő mennyiségek A mérési feladat és a mérőrendszer kiépítése az áramlási sebesség irányába mutató erő, azaz az ellenállási erő mérését teszi lehetővé. A feladat lényege a megfúvási sebesség és a testre ható erő meghatározása, amiből az ellenállás-tényező már meghatározható. ahol [-] az ellenállás-tényező, [m/s] a megfúvási sebesség, A [m2] a test jellemző megfúvási sebességre merőleges vetületének területe, ρ [kg/m3] az áramló levegő sűrűsége. A megfúvási sebesség a konfúzornál mért nyomásesésből számítható. A mérőtér középpontjában nem tudjuk megmérni a sebesség számításához szükséges dinamikus nyomást, hisz ott a mérendő test helyezkedik el. Ezért korábban elvégezték a csatorna minősítését, ahol egyrészt megvizsgálták, hogy a sebesség eloszlás mennyire egyenletes a mérőtér adott keresztmetszetében, másrészt meghatározták a kapcsolatot a konfúzornál mért nyomásesés és a mérőtérbeli dinamikus nyomás között: ahol a k [-] konstans rács nélküli esetben 1,015 értékű. A sebesség ezek alapján az alábbi formában számítható:
A Reynolds-szám is számítható, amihez a kinematikai viszkozitás értéke a tanszék honlapján található. Ellenőrző mérést célszerű végrehajtani Prandtl-csővel egy a test előtti áramlási keresztmetszet legalább egy pontján, hogy megbizonyosodjunk a kalibráció helyességéről és a sebességprofil egyenletességéről. A mérési pont lehetőleg a mért tárcsa tengelyében, de annak visszahatásától kellő távolságban legyen (tárcsa egyenértékű átmérőjének 3-4szerese). A testre ható erő a mérlegen kialakuló nyomatéki egyensúlyok felírásából határozható meg.
Fontos magára az egyedülálló (a mérendő test nélküli) a felfüggesztésre ható erő meghatározása, amit le kell vonni a testre ható erő mérésekor, hisz ekkor a testre és a felfüggesztésre ható erők együttesét mérjük. A testet ilyenkor csak behelyezzük a mérlegkar elé, de nem erősítjük rá - ez az ún. kitakarás módszere - és így csak a mérlegkarra ható erőből származó nyomatékot (Mkar) mérjük. Ekkor felírható a nyomatéki viszonyokra test nélkül: majd a testtel együtt is írható: Mivel a két mérés nem pontosan azonos sebességnél történt, ezért korrekcióra van szükség, ennek módja:
Mivel a két mérés nem pontosan azonos sebességnél történt, ezért korrekcióra van szükség, ennek módja:
4., Mérés menete, mérendő mennyiségek A mérés során a csoportnak legalább 4-5 (egy- vagy kétféle csoportba tartozó) test ellenállás-tényezőjét kell meghatározni különböző Reynolds-számnál. Miután a műszerekkel megismerkedtünk, első lépésként a mérlegkarra ható erőt kell meghatározni. Ezt 4-5 különböző Re-számnál, vagyis különböző sebességnél kell elvégezi minden egyes mért testre. A karra ható erők meghatározása után a testet felszerelve megismételjük a méréseket. Tehát a mérendő mennyiségek: − Erők kitakarással és kitakarás nélkül minden testre 8 különböző megfúvási sebességnél [N] − Hőmérséklet [K] − Légnyomás [Pa] − Erőkarok [m] − Δpk nyomásesés [Pa] A levegő sűrűség a mindenkori légállapotból (p0, T) számítható
5., A mérés kiértékelése és ellenőrzése irodalmi adatokkal A mérés értékelésekor vizsgáljuk az ellenállás-tényező változását a lekerekítés szerint, amit a lekerekítési sugárral jellemezhetünk. Ábrázoljuk az ellenállás-tényezőt ennek a függvényében. Mutassuk ki a Re-számfüggést is, amennyiben ezt a mérés pontossága lehetővé teszi. Nehézséget az okozhat, hogy a mérés során csak szűk Re-szám tartomány vizsgálható. A kapott eredményeket össze kell hasonlítani az irodalmi adatokkal.
6., Felhasznált összefüggések
7., Mért adatok és számítások
− Mérési környezet hőmérséklete: T=295 K − Mérési környezet külső nyomása: pkülső= 108000 Pa − Próbatestek lekerekítési sugarai: D1=2mm, D2=3mm, D3=4mm, D4=5mm, D5=10mm
Számított sűrűség: ρ=1,2756 [kg/m3]
D1 Potméter állás
3
4
5
6
7
8
9
10
Δpk [Pa]
9,06
16,69
25,75
36,83
49,81
64,7
83,82
105,39
1,16
2,28
3,7
4,82
6,68
9
11,42
14,26
0,04
0,1
0,14
0,22
0,3
0,38
0,5
0,6
3,7971
5,1537
6,4015
7,6558
8,9033
Re [-]
24497,4 33249,7
41300
49392,3 57440,6 69127,1 74512,9 83552,3
Flap[N]
0,2205
0,4291
0,5039
0,9055
1,2558
1,7164
2,1495
2,6889
ce [-]
2,3978
2,533
1,9279
2,4223
2,4839
2,6137
2,5265
2,5137
dce [-]
0,00572 0,00348 0,00152 0,00114 0,00071 0,00053 0,00037 0,00028
dce/ce [%]
0,23348 0,13415 0,08239 0,05276 0,02468 0,02035 0,01479 0,01106
Felszerelve
Fmért [N]
Kitakarva vmért [m/s]
10,1471 11,5495 12,9506
D2 Potméter állás
3
4
5
6
7
8
9
10
Δpk [Pa]
8,95
16,78
25,98
36,88
49,46
65,16
83,57
105,3
1,1
2,12
3,36
4,7
6,56
8,58
10,92
13,46
0,04
0,08
0,14
0,22
0,3
0,4
0,52
0,6
3,7742
5,1676
6,4299
7,661
8,8719
Felszerelve
Fmért [N]
Kitakarva vmért [m/s]
10,1831 11,5323 12,9451
Re [-]
24348,4 33339,3 41483,2 49425,8 57238,1 65697,4 74401,9 83516,7
Flap[N]
0,2086
0,4015
0,6338
0,9015
1,2322
1,6102
2,0471
2,5314
ce [-]
2,2963
2,3573
2,4036
2,4081
2,4545
2,4346
2,4134
2,3685
dce [-]
0,00824 0,00335 0,00181 0,00109 0,00074 0,00051 0,00034 0,00027
dce/ce [%]
0,35936 0,14218 0,07532 0,04526 0,03045 0,02114 0,01414 0,01156
D3 Potméter állás
3
4
5
6
7
8
9
10
Δpk [Pa]
8,91
16,55
25,86
36,25
49,08
64,51
82,95
105,25
1,02
2
3,18
4,48
6,22
8,18
10,28
13,2
0,04
0,08
0,12
0,22
0,32
0,4
0,5
0,6
3,7655
5,1321
6,4151
7,5953
7,825
Felszerelve
Fmért [N]
Kitakarva vmért [m/s]
10,1322 11,4894
12,942
Re [-]
24293,5 33110,3 39622,6 49001,9 50483,9
65369
74125,2 83496,8
Flap[N]
0,1929
0,3779
0,6023
0,8385
1,1614
1,5314
1,9251
2,4802
ce [-]
2,1331
2,2496
2,2947
2,2789
2,9739
2,3388
2,2865
2,3217
dce [-]
0,00802 0,00335 0,00787 0,00111 0,00074 0,00051 0,00037 0,00027
dce/ce [%]
0,37594 0,14874 0,07789 0,04883 0,02493 0,02181 0,01609 0,01174
D4 Potméter állás
3
4
5
6
7
8
9
10
Δpk [Pa]
8,89
16,66
26,05
36,61
49,54
64,98
83,6
105,34
1
1,82
3,1
4,42
5,86
7,88
10,26
12,96
0,04
0,08
0,14
0,24
0,34
0,46
0,54
0,62
vmért [m/s]
3,7613
5,1491
6,4386
7,6329
8,8791
10,169
11,534
12,948
Re [-]
24266,4
33220
41539,3 49244,5 57284,5 65606,4 74412,9 83535,5
Flap[N]
0,1889
0,3425
0,5826
0,8228
1,0865
1,4606
1,9133
2,429
ce [-]
2,0935
2,0254
2,2034
2,2142
2,1608
2,2146
2,2549
2,2716
dce [-]
0,00798 0,00317 0,00174 0,00109 0,00071
0,0005
0,00036 0,00027
Felszerelve
Fmért [N]
Kitakarva
dce/ce [%]
0,38101 0,15636 0,07898 0,04904 0,03299 0,02262 0,01609 0,01192
D5 Potméter állás
3
4
5
6
7
8
9
10
Δpk [Pa]
9,17
17,08
26,29
37,51
50,82
66,28
84,98
106,53
0,82
1,68
2,58
3,68
5,16
6,8
8,82
10,88
0,04
0,08
0,16
0,26
0,36
0,44
0,54
0,64
3,8201
5,2136
6,4682
7,7261
8,9931
10,270
11,629
13,021
Re [-]
24645,8 33636,1 41730,3 49845,8
58020
66258,1 75025,8 84006,4
Flap[N]
0,1535
0,3149
0,4763
0,6732
0,9448
1,2519
1,6298
2,0157
ce [-]
1,6492
1,8164
1,7849
1,7679
1,8316
1,8609
1,8895
1,864
dce [-]
0,00684 0,00292 0,00158 0,00097 0,00065 0,00046 0,00034 0,00025
Felszerelve
Fmért [N]
Kitakarva vmért [m/s]
dce/ce [%]
0,41474 0,16064 0,08853 0,05472
0,0356
0,02488
0,0179
0,01363
8., Diagramok Ellenállás tényező – Reynolds szám Reynolds szám 3
2,5
2
D1 D2
ce [-]
D3 D4
1,5
D5 1
0,5
0 0
25000
33000
41000
49000
57000
Reynolds szám [-]
69000
75000
84000
Ellenállás tényező - lekerekítés 3
2,5
2 Re 25000
ce [-]
Re 33000 Re 41000
1,5
Re 49000 Re 57000 Re 69000 Re 75000 Re 84000
1
0,5
0 2
3
4
5
10
Lekerekítés [mm]
9., Kiértékelés A mérés értékelésekor megvizsgáltam az ellenállás-tényező változását a lekerekítés szerint, majd ábrázoltam az ellenállás-tényezőt ennek a függvényében. A másik diagramban kimutattam az ellenállás-tényező Re-szám függését. A diagramokból látható, hogy az ellenállási tényező a lekerekítési sugár növelésével csökken, emellett a Reynolds szám növelésével pedig arányosan növekszik. Ezek a megfigyelések megfelelnek az elvártaknak és Az áramlástan alapjaiban található értékeknek.
10., Méréshez felhasznált eszközök − − − −
Digitális nyomásmérő: SN013, Pontosság: 2 [Pa] Digitális erőmérő cella: Model No1022, Pontosság: 0,02 [N] NPL szélcsatorna: ME121-170 Motor: Watt Elektromotorgyár, U=220 [V]
11., Felhasznált irodalomjegyzék [1] Lajos Tamás: Az áramlástan alapjai. Műegyetemi Kiadó, 2004; Jegyzet azonosító: 45O72. [2] EMB–001 kézi digitális nyomásmérő berendezés leírása [3] A mérési jegyzőkönyv formai és tartalmi követelményei [2] és [3] dokumentumok: http://www.ara.bme.hu/oktatas/labor/labor.htm
Melléklet:
