Predavanja druga parcijala

Studentska skripta

Druga parcijala

Adem Šehić

www.samelx.blogger.ba Tuzla, 2013

Trusted by over 1 million members

Try Scribd FREE for 30 days to access over 125 million titles without ads or interruptions! Start Free Trial Cancel Anytime.













Adem Šehić

Mehanika fluida I

www.samelx.blogger.ba www.samelx.b logger.ba

Kinematika fluida  

Podsjetnik iz kinematike materijalne točke Ako dimenzije tijela nisu bitne za analizu njegovog kretanja, onda se može promatrati samo kretanje težišta tijela. Težištu tijela pridružujemo ukupnu masu tijela i govorimo o materijalnoj tački.

Opis kretanja materijalne točke u prostoru

- put koji prevali prevali materijalna tačka u vremenu vremenu dt

Jednačine kretanja je parametar). Jednačine kretanja označavaju parametarski oblik jednačine trajektorij e (vrijeme t je parametar).

brzina materijalne materijalne tačke (= brzina brzina promjene položaja) položaja)















Adem Šehić

Mehanika fluida I


Iz definicije brzine je jasno da za prevaljeni put dr dr u vremenu dt vrijedi vrijedi



Prevaljeni put i vektor brzine su kolinearni vektori, što znači da je vektor brzine uvijek tangencijalan na putanju.

- ubrzanje

materijalne tačke (= brzina promjene brzine)

Kinematika fluida 

Kinematika fluida dio je kinematike koji se bavi kretanjima fluida. Kinematika pri tome samo proučava kretanje, kretanje, a ne ulazi ulazi u njegove uzroke, i bavi se zakonitostima tog kretanja.



Fluid smatramo kontinuumom i koristimo pojam čestice fluida, koja je definisana kao maleni volumen fluida konstantne mase.



Postoje dva pristupa opisivanju kretanja fluida: Lagrangeov (ili supstancijalni) pristup i Eulerov (ili lokalni) pristup.



Kod Lagrangeovog pristupa kre tanje

se proučava vežući se za česticu fluida, a kod Eulerovoga pristupa kretanje je je promatrano iz neke neke fiksne tačke u prostoru. prostoru.

Za pokretni fluid potrebno je odrediti o drediti



v

 (v x , v y , v z ), p,  , T

Sveukupnost ovih veličina u posmatranom prostoru i vremenu opisuje strujno polje.















Adem Šehić

Mehanika fluida I


Lagrangeov metod

Kod Lagrangeovoga pristupa problemima kretanja fluida vežemo se za neku proizvoljnu česticu fluida i s njom "putujemo" kroz prostor.   

Posmatra se određeni fluidni djelić d jelić Položaj djelića je funkcija njegovog početnog položaja Brzina i ubrzanje se zato piše u obliku:

r (t  t )  r (t )  r  dr r v  lim lim lim  lim    t 0 t t 0 t  t ( a,b,c) dt 















r 0

 (a, b, c)

i vremena t

r  r (r 0 , t ) 





d 2 r v   2 r  a  lim lim   2   2 t 0 t t   ( a,b,c ) dt 







Kako vrijeme prolazi, pratimo promjene fizikalnih veličina na mjestu na kojem se u tom trenutku naša čestica nalazi. Drugim riječima, putujemo kroz prostor nošeni tom česticom fluida.



Svaka fizikalna veličina vezana uz tečenje onda je neka funkcija trenutnog položaja te čestice i















Adem Šehić

Mehanika fluida I


Eulerov metod

Kod Eulerovog a

pristupa problemima kretanja fluida vežemo se za neku proizvoljnu tačku prostora i promatramo kako se se fluid kroz nju kreće. kreće. 

Razmatra se promjena strujnih veličina u jednom stalnom mjestu prostora, dok djelići prolaze kroz ovo mjesto.

 

Strujne veličine mogu da se mjere nepokretnim mjernim uređajima. Matematički je problem sad znatno jednostavniji jer je položaj te tačke konstanta (doduše vektorska):

 

Kako vrijeme prolazi, pratimo promjene fizikalnih veličina na mjestu tačke M . Drugim riječima, smjestili smo se u neku nepomičnu tačku u prostoru i promatramo kako fluid struji kroz nju.

  



Svaka fizikalna veličina vezana uz tečenje u ovom je slučaju je neka funkcija radijus -vektora te tačke i vremena. ao vektorsku funkciju oblika: Npr. brzinu brzinu se može izraziti izraziti k ao Kako je R M konstantan u vremenu, ovo je u stvari eksplicitna funkcija vremena, s kojom je matematički mnogo lakše raditi nego sa implicitnim funkcijama karakterističnim za Lagrange ov pristup. Ako dozvolimo da je položaj tačke R M u prostoru proizvoljan, i radi preglednosti ga opišemo radijus-vektorom R radijus-vektorom R,, fizikalne varijable postaju funkcije 3 koordinate i vremena, npr:















Adem Šehić



Mehanika fluida I


Trenutni iznos brzine i njezin smjer:

Stacionarnost/nestacionarnost nekoga problema nije

apsolutno, nego može ovisiti o izboru

koordinatnoga sistema u kojem se dati problem proučava. Ako je moguće, koordinatni sistem bira se tako da je u njemu problem stacionaran.

Za posmatrača na obali optjecanje vode oko trupa broda je nestacionarno jer se slika koju vidi s vremenom mijenja (brod mijenja svoj položaj u prostoru).

Za posmatrača na pramcu broda optjecanje vode oko trupa broda je stacionarno jer se slika koju vidi s

















Adem Šehić

Mehanika fluida I


Skalarno polje 

Prostor u kome je definisana skalarna funkcija položaja U=U(x,y,z) koja može da opisuje prostor,površinu prostor,površinu ili liniju. Linije ili površine na kojima skalarna funkcija zadržava istu vrijednost su ekviskalarne.

Gradijent skalarne skalarne f unkcij e

Radi opisivanja pravca promjene skalarne veličine, svojstva opšteg za sve vrste skalarnih polja, uvodi se diferencijalno-vektorski operator nabla



   i j  k  x  y  z 





koji se primjenjuje na skalarnu funkciju U=U(x,y,z) i (gradU ): ): određuje gradijent skalarne funkcije U (gradU grad U 

U U U i  j  k  x  y  z 





gradU gradU (vektor) ima pravac i smjer normale u proizvoljnoj proizvoljnoj tački površine U=U(x,y,z), а pošto је

normala najkraće rastojanje između dvije vrijednosti skalara U1 i U2 tо gradU predstavlja predstavlja pravac najjače promjene skalara U . Smijer gradU gradU је је smijer porasta porasta promjene skalara. skalara.

Vektorsko polje  

Skalarna polja pritiska, gustine i vektorska polja brzine i ubrzanja, daju prirodan izgled strujnom polju stacionarnog, idealnog, savršenog i viskozno -laminarnog fluida Polje brzine je od najvećeg uticaja na formiranje strujnog polja, pa su sve karakteris tike vezane za vektorska polja definisane u polju brzine

















Adem Šehić

Mehanika fluida I


Ako se u jednom trenutku obilježi položaje mnogo čestica fluida, a pri tom je svaka slijedeća čestica u smjeru vektora brzine one pretho dne, dobit će se glatka kriva koju nazivamo strujnica. Ako se pravac vektora brzine poklapa s tangentom na strujnicu, tada je usmjereni element luka   strujnice ds paralelan ds paralelan vektoru brzine , te je njihov vektorski vektorski produkt jednak nuli, nuli,

v , d s   0



Razvijanjem vektorskog proizvoda dobija se:

d x v x ( x, y, z ) 



d y v y ( x, y, z )



d z v z ( x, y, z )

Osnovno svojstvo strujnica je da se one ne mogu presijecati, jer bi to značilo da u tački presjeka vektor vektor brzine ima dva različita različita smijera, što je nefizikalno. nefizikalno. Izuzetak čine čine tačke zast oja u kojima je brzina jednaka nuli.

















Adem Šehić

Mehanika fluida I


Trajektorija 



  

Zamislimo si da smo na neki način obilježili jednu odabranu česticu fluida. Ako bilježimo njen položaj kao funkciju vremena, vremena, dobit ćemo prostornu prostornu krivu kr ivu koja se naziva trajektorija (putanja) čestice u prostoru. Trajektorija je prostorna kriva koju svojim kretanjem kret anjem opisuje čestica čestica fluida.

Jednačine kretanja čestice fluida zapisane u Lagrangeovim koordinatama označavaju parametarski zapis jednačine jednačine trajektorije. U Eulerovom opisu strujanja, gdje se polazi od polja brzine, do jednačine trajektorija se dolazi, polazeći od definicije brzine čestice čestice kontinuuma. kontinuuma. Ako je dr usmjereni infinitezimalni element puta kojeg prevali čestica kontinuuma krećući se po svojoj trajektoriji za infinitezimalno vrijeme dt, tada za taj usmjereni element luka trajektorije, iz same definicije brzine slijedi:



Što se može napisati u obliku sistema diferencijalnih jednačina: jednačina:

čijim se rješavanjem uz početne uslove za t=t 0 , r(t 0 )=r 0 , dolazi do jednačina jednačina trajektorija.

















Adem Šehić





Mehanika fluida I


U teoretskim računima se koristi i koncept strujnoga vlakna . Radi se o strujnoj cijevi kod koje je površina po vršina A infinitezimalno mala, pa ju se zbog razlikovanja od velike površine A, obično i označava sa dA. Prednost je strujnoga vlakna da su vrijednosti fizikalnih veličina kojima se dati tok opisuje na infinitezimalno infinitezimalno maloj površini dA konstantne, što omogućava izvođenje teorijskih proračuna.

Jednačina kontinuiteta •

Promatra se neki fluid u kretanju. Negdje unutar toga fluida zamisli se kontrolni volumen u

obliku kvadra koji nepomično stoji u toku fluida.

















Adem Šehić

•

•

Mehanika fluida I


a lokalnu gustinu fluida Brzinu fluida opisat će se sa vektorskom funkcijom funkcijom  (x,y,z), (x,y,z), pri čemu treba imati imati na umu da ta gustina ne mora mora biti konstantna. Brzinu rastavimo na njene tri komponente i pratimo šta se dešava sa xkomponentom komponentom brzine,v brzine, v x .

Ona je okomita na prednju (1) i stražnju plohu (2) promatranoga volumena. Veličinu x-komponente komponent e brzine na plohi 1 označimo sa a njenu veličinu na plohi 2 sa Razmak između te dvije plohe (= dx!) je malen, pa se može x komponenta komponenta brzine razviti u Taylorov red pa odbaciti više članove: •

•

•

•

•

Na isti se način način nalazi i gustina gustina fluida:

Brzina toka nosi fluid kroz taj nepomični volumen. uđe volumen fluida koji je jednak umnošku površine prednje plohe, x komponente brzine toka na njoj i proteklog U nekom vremenu dt kroz prednju plohu (1) u elementarni volumen

vremena: •

•

•

•

•

Treba napomenuti napomenuti da su y i z komponente komponente brzine paralelne sa spomenutom spomenutom plohom pa ne doprinose toku fluida kroz plohu 1. Sada se uz pomoć gustine odredi masa fluida koja je kroz plohu 1 ušla u elementarni volumen:

Istovremeno je kroz plohu 2 iz volumena izašla masa fluida:

Razlika ove dvije jednačine predstavlja prirast (gubitak) mase fluida u x-smjeru:

Sređivanjem dobija se izraz:



















Adem Šehić

Mehanika fluida I


Međutim, ako se u vremenu dt masa fluida unutar elementarnog volumena promijeni za dm, to

•

se mora odraziti u promjeni gustine fluida u elementarnom volumenu dV jer je masa fluida

sačuvana:

Izjednačavanjem posljednje dvije jednačine i sređivanjem, dobija se izraz:

•

•

•

Izraz na lijevoj strani prethodne jednačine predstavlja razliku mase fluida koja je izašla iz jediničnog volumena u jedinici vremena i mase fluida koja utiče za isto vrijeme, i naziva se divergencija toka mase. Napisano u vektorskom obliku:

gdje je:

  v v v      v  divv   i  j  k   v x i  v y j  v z k   x  y  z  z   x  y  z   x  y 















pa se može pisati pisati i:

Posebni oblici jednačine kontinuiteta



















Adem Šehić

•

•

Mehanika fluida I


Kada se govori o jednodimenzionalnom (1D) strujanju u stvari se misli na strujanje koje se odvija samo u smijeru x- ose. To znači da v y i v z komponente brzine isčezavaju u cije lom prostoru. U tom slučaju elementarna površina dA = dydz je uvijek okomita na brzinu, a u vremenu dt kroz nju protekne masa fluida: dm = dA v  dt

•

•

•

•

•

Podijelimo li sa dt dobije se tzv. maseni protok fluida:

Kako je dA maleno, brzina i gustina fluida na Q M = = konst. može reći da je:

cijeloj toj površini su praktički konstantni, pa se

Podijelimo li sa  dobija se volumni (zapreminski) protok:

Dok je dA maleno, gornji zaključci su ispravni i govori se o toku u strujnom vlaknu.

Međutim, ako se gleda tok konačnih poprečnih dimenzija, gustina i brzina preko poprečnoga presjeka toka A toka A ne moraju biti konstantni.

•

Situacija se rješava tako da se brzinu i gustinu gust inu stvarnog toka usrednjava preko površine A i tako dobivene srednje vrijednosti se uvrštavaju u jednačinu za protok, pa imamo:



















Adem Šehić

Mehanika fluida I


Izvori i ponori •

•

•

Prethodno izvedena jednačina kontinuiteta vrijedi doticaja (izvora) fluida, niti oticanja (ponora) fluida.

za strujni tok u kojem nema dodatnih

Izvor je tačka u prostoru iz koje neprestano izvire fluid. Ovakva tačka zove se singularitet i u njoj ne vrijedi jednačin a kontinuiteta. Da bi u cijelom sistemu masa bila sačuvana, uz izvor mora postojati i ponor. Ponor je tačka u kojoj fluid nestaje iz sistema. siste ma.

•

Izvori i ponori mogu biti tako daleko (matematički u beskonačnosti) da nas ne zanimaju, pa zato izvore i ponor e često promatramo kao odvojene objekte.

Izdašnost izvora je količina fluida koji izlazi iz njega u jedinici vremena. Da bi našli izdašnost, izvor okružimo zatvorenom plohom A i integriramo integriramo brzinu preko nje.



















Adem Šehić

Mehanika fluida I


Rotor brzine •

Rotor brzine ili rotacija rotac ija vektora vektor a piše se kao rot i predstavlja predst avlja vektor definisan jednačinom 



rot v

oznake a,b,c kompomenti







i 

j 

k 

 x u

 y v

 z w

  w  v    v  u   u  w     i      j    k   y  z    z  x    x  y  





  

   

   

a

b

c

imaju značenje da se fluidni element zaokreće oko zamišljene ose pod uticajem tih

Komponenta ugaone brzine fluidnog djelića oko z ose iznosi: 

1   v  u     



















Adem Šehić

Mehanika fluida I


Vizuelizacija strujanja •

•

•

Zakonitosti međusobnog djelovanja fluida i tjela koja se kreću kroz fluid su predmet ispitivanja aerodinamike. Osnovni fluidi koji se kor iste iste za proučavanje procesa

međusobnog djelovanja su vazduh i voda. To su bezbojni fluidi, čije strujanje nemože biti neposredno posmatrano ili snimano. Zbog toga se primjenjuju posredne metode koje čine jednu naučnu oblast eksperimentalne aerodinamike, nazvanu vizuelizacija strujanja.

•

•

Danas se u svjetu razvijaju i koriste mnoge tehnike vizuelizacije strujanja u toku

aerodinamičkog eksperimenta, koji omogućuju da se "vide" strujne linije i putanje vazdušnih čestica. Metode koje se koriste za vizuelizaciju strujanja mogu da se klasifikuju na više načina: u zavisnosti od brzine strujanja, da li su za lokalnu ili globalnu vizuelizaciju, da li su neophodni

indikatori ili su one čisto optičke, da li podržavaju samo kvalitativno ili i kvantitativno ispitivanje. •

Najosnovnija podjela podjela metoda vizuelizacije strujanja je u tri grupe: 1. metode za ispitivanje strujanja koje koriste ubacivanje indikatora (stranih materijala) u osnovni fluid, 2. optičke metode i 3. metode, koje su određena kombinacija prethodnih metoda, jer uključuju ubacivanje

dodatne energije u fluid i optičke metode. METODE VIZUELIZACIJE DODAVANJEM INDIKATORA





















Adem Šehić

Mehanika fluida I


Dimna vizuelizacija

•

•

•

je metoda koja koja može da se koristi u širokom dijapazonu brzina brzina strujanja gasnih fluida (najčešće vazduha), pod uslovom da su strujanja laminarnog tipa. Dim se uvodi u testirano područje kao homogena strujnica, jasno izdiferencirana u odnosu na osnovni fluid i prati se njeno povijanje, koje je identično povijanju fluida ok o modela. Postrojenja u koja se uvode dimne strujnice u kompletnom presjeku radnog djela su poznata kao dimni tuneli.

Generisanje dimnih strujnica može biti izvedeno sagorijevanjem mineralnih ulja bogatih parafinom, parafinom, isparavanjem isparavanjem tečnosti bogatih bromidom ili hloridom i njihova interakcija sa vlagom u vazduhu, kao i sagorjevanjem čvrstih materijala kakvi su: drvo, papir, duhan itd.

Vizuelizacija Vizuelizacija bojama •

Vizuelizacija strujanja u vodenim tunelima, koja je analogna dimnoj vizuelizaciji u





















Adem Šehić

Mehanika fluida I


Dinamika Dinamika idealnog fluida •

•

U kinematici fluida razvijene su osnovne metode matematičkog opisivanja tečenja fluida kao neprekidne sredine. Pomoću tih metoda u dinamici fluida razrađuju se zakoni za održanje fluida u stanju tečenja, odnosno osnovni zakoni dinamike fluida. Dinamika fluida proučava kretanje fluida zajedno s uzrocima zbog kojih kretanje nastaje, a to su SILE;

• proučava zavisnost zavisnost sila i kretanja kretanja nastalog pod pod djelovanjem tih sila. • Njutnova definicija sile ostaje na snazi i u slučaju kretanja fluida i omogućava da se napišu diferencijalne jednačine za kretanje fluida.

Ojlerova jednačina U statici fluida uspostavljena je ravnoteža zapreminskih sila (gravitacija) i površinskih (pritisak (pr itisak): ):

   f  grad pdV  0 

V

sada se proširuje djelovanjem inercijalnih sila koje su predstavljene sa:



 

dv

dV





















Adem Šehić

Mehanika fluida I


Rješavanje problema problema kretanja idealnog idealnog fluida

• nepoznate: v x , , v y , , v z , p,  • Ojlerova jednačina + • jednačina jednačina kontinuiteta • karakteristična jednačina stanja fluida 

dv

dt d  dt

1



 f 



grad p

  div v  0 

  f ( p)

Bernulijeva jednačina • Najveći broj broj zadataka rješava rješava se direktnom direktnom primjenom Bernulijeve jednačine. jednačine.





















Adem Šehić

Mehanika fluida I


Geometrijska interpretacija Bernulijeve jednačine

linija energije v2/ 2g v12/ 2g p/g

v

t s n o c = a j i g r e n e

D D1 z

p1/g

v1





















Adem Šehić

Mehanika fluida I


Тotalni pritisak se mjeri u tačkama gdje je brzina fluida jednaka nuli tj. u zaustavnim tačkama, pa se zato naziva i zaustavni pritisak.Instrument za mjerenje totalnog pritiska zove se Pitova cijev.

Statički pritisak mjeri se na površinama preko kojih fluid prelazi nepromijenjenim brzinama. Dinamički pritisak određuje se mjereći razliku između totalnog tot alnog i statičkog pritiska (Prandtlova cijev).























Adem Šehić

Mehanika fluida I






















Adem Šehić

Mehanika fluida I


Bernulijeva jednačina za stišljiv fluid •

U slučaju stišljivog fluida, pri čemu je uticaj zapreminskih sila zanemaren jer je njihov uticaj neznatan u odnosu na ostale sile:

za





















Adem Šehić

Mehanika fluida I






















Adem Šehić

Mehanika fluida I


Pojave i principi rada nekih uređaja koji se mogu objasniti Bernoullijevom jednadžbom Kavitacija

Povećanjem Povećanjem protoka uz istu ukupnu energiju strujanja dolazi do smanjenja pritiska u najužem presjeku • Kada se pritisak u najužem presjeku snizi na vrijednost pritiska isparavanja pojavljuju se mjehurići pare (kavitacija). Protok pri kojem se pojavljuje kavitacija je maksimalno mogući protok za zadanu visinu energije. Mjehurići pare bivaju nošeni u područje višeg pritiska, gdje gd je se ponovo pretvaraju u kapljevitu fazu fazu (implozija). Pojava kavitacije kavitac ije je popraćena vibracijama





















Adem Šehić

Mehanika fluida I


Zakon o promjeni količ ine kretanja • •

Koristi se za određivanje sile kojom fluid djeluje na površinu koja je ograničena; ZOPKK važi za: stišljiva i nestišljiva strujanja, viskozna i neviskozna, stacionarna i

•

nestacionarna, sa i bez promjenjive mase, jednolika i nejednolika; B.J. važi za strujnicu, a ZOPKK za proizvoljno, po potrebi uočeno,

granicama, bez obzira na njegovu veličinu i oblik. • II Njutnov zakon:

d



mv   F 

strujno polje sa čvrstim























Adem Šehić

•

Mehanika fluida I

Zapreminski Zapreminsk i protok prot ok kroz elementar elementarnu nu graničnu površinu d A је:






















Adem Šehić

Mehanika fluida I

4. Pretpostave se smjerovi reakcije veza F veza F 3,4 ili F x i F i F y. 3,4 ili F y.






















Adem Šehić

Mehanika fluida I

ISTICANJE KROZ MALI OTVOR






















Adem Šehić

Mehanika fluida I

Bernulijeva jednačina koja uzima u obzir ove gubitke:






















Adem Šehić

Mehanika fluida I






















































































































































































































Predavanja druga parcijala

Recommend Documents