FLUID- OG GASSDYNAMIKK



Like dokumenter
1. Atmosfæren. 2. Internasjonal Standard Atmosfære. 3. Tetthet. 4. Trykk (dynamisk/statisk) 5. Trykkfordeling. 6. Isobarer. 7.

F. Impulser og krefter i fluidstrøm

Krefter, Newtons lover, dreiemoment

Kap. 1 Fysiske størrelser og enheter

Newtons (og hele universets...) lover

TFY4106 Fysikk. Institutt for fysikk, NTNU. Test 2.

Faglig kontakt under eksamen: Navn: Anne Borg Tlf BOKMÅL. EKSAMEN I EMNE TFY4115 Fysikk Elektronikk og Teknisk kybernetikk

Fysikkonkurranse 1. runde november 2000

Løsningsforslag til ukeoppgave 4

AERODYNAMIKK. Aerodynamsike prinsipper som forklarer hvorfor vi flyr, og hva som skjer når vi ikke gjør det... hlsk.no 1

VEDLEGG : Grunnkurs vindforhold

Impuls, bevegelsesmengde, energi. Bevaringslover.

Kan vi forutse en pendels bevegelse, før vi har satt den i sving?

METEROLOGI= Læren om bevegelsene og forandringene i atomosfæren (atmosfæren er lufthavet rundt jorden)

Løsningsforslag til midtveiseksamen i FYS1001, 26/3 2019

Løsningsforslag Øving 2

FLYGETEORI Bok 1 Michael Katz Nedre Romerike Flyklubb michael@katz.no 5. august 2009

Løsningsforslag for øvningsoppgaver: Kapittel 6

Elektrisk og Magnetisk felt

Fysikkolympiaden 1. runde 27. oktober 7. november 2008

Løsningsforslag Øving 1

Fasit eksamen Fys1000 vår 2009

Friksjonskraft - hvilefriksjon og glidefriksjon (lærerveiledning)

Newton Camp modul 1190 "Luftige reiser, Newton-camp Vest-Agder 2015"

Løsningsforslag til Øving 9 Høst 2014 (Nummerne refererer til White s 6. utgave)

Hemodynamikk. Stein Samstad. Avdeling for hjertemedisin Institutt for sirkulasjon og bildediagnostikk

UNIVERSITETET I OSLO

Repetisjonsoppgaver kapittel 5 løsningsforslag

Grensebetingelse for trykk der hvor vann møter luft

AST1010 En kosmisk reise. Forelesning 4: Fysikken i astrofysikk, del 1

UNIVERSITETET I OSLO

UNIVERSITETET I OSLO

Løsningsforslag Eksamen i Fys-mek1110/Fys-mef1110 høsten 2007

FYS-MEK 1110 Løsningsforslag Eksamen Vår 2014

Løsningsforslag Øving 7

Breivika Tromsø maritime skole

UNIVERSITETET I OSLO

Løsningsforslag Øving 8

UNIVERSITETET I OSLO

A 252 kg B 287 kg C 322 kg D 357 kg E 392 kg. Velg ett alternativ

LGU11005 A Naturfag 1 emne 1

Fysikkolympiaden 1. runde 31. oktober 11. november 2011

UNIVERSITETET I OSLO

Løsningsforslag til eksamen i FYS1000, 14/8 2015

UNIVERSITETET I OSLO

AST1010 En kosmisk reise. De viktigste punktene i dag: Mekanikk 1/19/2017. Forelesning 3: Mekanikk og termodynamikk

Fysikkolympiaden 1. runde 26. oktober 6. november 2015

- trykk-krefter. µ. u u u x. u venstre side. Det siste forsvinner fordi vi nettopp har vist x. r, der A er en integrasjonskonstant.

HØGSKOLEN I SØR-TRØNDELAG

UNIVERSITETET I OSLO

UNIVERSITETET I OSLO

LØSNINGSFORSLAG, KAPITTEL 2

Obligatorisk oppgave i fysikk våren 2002

Oppgaver i naturfag 19-åringer, fysikkspesialistene

Om flo og fjære og kunsten å veie Månen

Løsningsforslag til midtveiseksamen i FYS1001, 19/3 2018

6.201 Badevekt i heisen

UNIVERSITETET I OSLO

TFY4104 Fysikk. Institutt for fysikk, NTNU. Høsten Øving 11. Veiledning: november.

Løsningsforslag til eksamen FY0001 Brukerkurs i fysikk Juni 2011

ESERO AKTIVITET 6 år og oppover

Kapittel 4. Algebra. Mål for kapittel 4: Kompetansemål. Mål for opplæringen er at eleven skal kunne

FLYMEDISIN. Grunnleggende Flymedisin

TFY4106_M2_V2019 1/6

Fysikkolympiaden Norsk finale 2018 Løsningsforslag

Fysikkmotorer. Andreas Nakkerud. 9. mars Åpen Sone for Eksperimentell Informatikk

En blomsterpotte faller fra en veranda 10 meter over bakken. Vi ser bort fra luftmotstand. , der a g og v 0 0 m/s.

Fysikk 3FY AA6227. Elever og privatister. 26. mai Videregående kurs II Studieretning for allmenne, økonomiske og administrative fag

MÅLING AV TYNGDEAKSELERASJON

Fy1 - Prøve i kapittel 5: Bevegelse

1 C z I G + + = + + 2) Multiplikasjon av et tall med en parentes foregår ved å multiplisere tallet med alle leddene i parentesen, slik at

ESERO AKTIVITET BEREGNING OG BYGGING AV MODELLRAKETTER. Elevaktivitet. 15 år og oppover. Utviklet av

Universitetet i Agder Fakultet for helse- og idrettsvitenskap EKSAMEN. Time Is)

Løsningsforslag til midtveiseksamen i FYS1000, 17/3 2016

Norges Informasjonstekonlogiske Høgskole

UNIVERSITETET I OSLO

TFY4106 Fysikk. Institutt for fysikk, NTNU. Test 1.

Newtons lover i én dimensjon (2)

Dette er historien om de fundamentale spørsmålene i livet til en PPG freak

LØSNINGSFORSLAG EKSAMEN FYS120 VÅR 2017

UNIVERSITETET I OSLO

UNIVERSITETET I OSLO

EKSAMEN. EMNE: FYS 120 FAGLÆRER: Margrethe Wold. Klasser: FYS 120 Dato: 09. mai 2017 Eksamenstid: Antall sider (ink.

UNIVERSITETET I OSLO

Eksamen i FYS Oppgavesettet, inklusiv ark med formler, er på 7 sider, inkludert forside. FAKULTET FOR NATURVITENSKAP OG TEKNOLOGI

LØSNINGSFORSLAG EKSAMEN FYS119 VÅR 2017

Fakultet for teknologi, kunst og design Teknologiske fag. Eksamen i: Fysikk for tretermin (FO911A)

Fysikkolympiaden 1. runde 27. oktober 7. november 2014

PARTIKKELMODELLEN. Nøkler til naturfag. Ellen Andersson og Nina Aalberg, NTNU. 27.Mars 2014

Newtons lover i én dimensjon (2)

Teknisk felt [0001] Foreliggende oppfinnelse angår feltet generering av tørris og fylling av produsert tørris oppi bokser og beholdere.

Både besvarelsene du leverer inn og det du gjør underveis blir vurdert. (Gruppe 1 starter med oppgave 1, gruppe 2 starter med oppgave 2 osv.) 10.

8. Elastisitet. Fysikk for ingeniører. 8. Elastisitet. Side 8-1

Drenering. Drammen 5. april 2013

Keplers lover. Statikk og likevekt

Kollokvium 4 Grunnlaget for Schrödingerligningen

r+r TFY4104 Fysikk Eksamenstrening: Løsningsforslag

Enkel matematikk for økonomer 1. Innhold. Parenteser, brøk og potenser. Ekstranotat, februar 2015

2,0atm. Deretter blir gassen utsatt for prosess B, der. V 1,0L, under konstant trykk P P. P 6,0atm. 1 atm = 1,013*10 5 Pa.

EKSAMENSOPPGAVE. Dato: Fredag 01. mars Tid: Kl 09:00 13:00. Administrasjonsbygget B154

Transkript:

FLUID- OG GASSDYNAMIKK Alle kontinuerlige stoffer kan forekomme i tre aggregattilstander ; fast stoff, flytende form (fluid, væske) og gassform. Eksempler: Vann T<0 C fast stoff (is) 0 C < T <100 C flytende T > 100 C gassform (damp) Luft (blanding av nitrogen, oksygen og noen andre gasser) T < -194.4 C flytende (fluid) T > -194.4 C gassform Det kan forekomme at faste stoffer går direkte mellom fast form og gass, uten å være flytende i et mellomstadium. Dette kalles sublimering og kan forekomme f.eks. for is og Jod (J). Det er flere likhetspunkter mellom oppførselen til en væske og en gass og noen forskjeller. En del av teorien for væsker (fluider) kan derfor brukes også for gasser. Fluidstatikk Væsker og gasser søker å fylle ut det tilgjengelige rom. En karakteristisk størrelse er (flate)trykket p=f/a SI-enheten for trykk er Pascal [Pa] = N/m 2 En gammel enhet: millibar (1 mb = 1 hpa) Trykket i en gass eller en væske er like stort i alle retninger Dette utnyttes bl.a. i hydraulikksystemer.

Hydraulisk jekk: Jekken har to trykksylindere Trykket under det lille stempelet p 1 =F 1 /A 1 Trykket under det store stempelet p 2 =F 2 /A 2 liten sylinder stor sylinder Trykket i systemet er over alt p (når vi ser bort fra tyngdens innvirkning). Derfor: p 1 = p 2 F 1 /A 1 = F 2 /A 2 F 2 = F 1 A 2 /A 1 dvs. det har oppstått en kraftutveksling aom øker kraften med forholdet A 2 /A 1 Tettheten til en væske- eller gassmengde med masse m og volum V betegnes med den greske bokstaven ρ (uttales ro). ρ = m/v [kg/m 3 ] Trykket i en væske eller en gass kan oppstå på flere måter. Trykk pga. tyngdekraften: Kraften F mot bunnen av røret som har tverrsnittsareal A blir F= m g = ρ V g = ρ A h g Trykket mot bunnen blir da

Væsker, som vann og bremsevæske er inkompressible; endrer ikke volum ved trykkendring. Det betyr altså at også tettheten er uavhengig av trykket. Gasser er derimot kompressible. Trykk og temperaturendringer kan gi store volumendringer og tettheten er altså trykk- og temperaturavhengig. Figuren til høyre illustrerer hvordan volumet til en bestemt masse luft avhenger av trykket. Dette beskrives av gassloven: p V = konstant Temperaturen har innflytelse på volum og tetthet, særlig for gasser. T >> 0 Kelvin gassmolekylene ligger tett sammen gassmolekylene tar mer plass pga. temperaturbevegelsene Fluiddynamikk Dette omhandler fluider i bevegelse, derfor ordet dynamikk. Teorien herfra anvendes også på gasser. Definisjoner av noen faguttrykk: Strømlinjer (Engelsk: streamlines) er linjer som viser banen en væske- eller gasspartikkel følger Strømlinjen viser banen og dermed partikkelfartens retning (tangent til strømlinja), men ikke hvor stor farten er.

Laminær strømning når partikler nær partikkelens strømlinje beveger seg omtrent likt og bevegelsen ikke varierer med tiden. En væske uten friksjon vil alltid være laminær. For væsker med friksjon fås laminær strømning når Reynoldstallet Re < 2000 (Reynoldstallet defineres senere). Turbulent strømning når partikler i nærliggende sjikt begynner å bevege seg tilfeldig og forskjellig i forhold til hverandre. For væsker med indre friksjon (viskositet) fås turbulent strømning når Reynoldstallet Re > 3000 Viskositet Dette er et annet uttrykk for den indre friksjon i væsker. Strømning i et rør eller mellom to plan: I en væske eller gass med friksjon kan ikke hastigheten variere sprangvis men må gradvis øke fra null ved veggen. Newtons viskositetslov beskriver virkningen av den indre friksjon (viskositeten): Figuren viser utsnitt av en væske mellom to plater med areal A. Den øvre plata beveges mot høyre med hastighet v. Kraften F vi må bruke på plata (friksjonskraften) gis av ligningen η (gresk bokstav, uttales eta) er væskens viskositet og måles i [Pas] = Ns/m 2

Eksempler på viskositet for noen stoffer (fluider) Fluid Temperatur [ C] Viskositet [Pas] Alkohol 20 0.12 10-3 Glyserin 0 12 20 Smøreolje (SAE 60) 0 20 60 100 Vann 0+ 20 60 100- Luft 0 20 60 100 1.5 5.3 0.99 0.080 0.017 1.8 10-3 1.0 10-3 0.47 10-3 0.28 10-3 17 10-6 18 10-6 20 10-6 22 10-6 Grensesjikt (Engelsk: Boundary layer) Dersom avstanden mellom platene i forsøket ovenfor er svært stor, vil vi se at hastigheten til væskepartiklene under den bevegelige plata tilsynelatende går mot null før vi når ned til bunnen. Det er bare væskepartikler innenfor et grensesjikt med tykkelse D som trekkes med av plata. Ved å kombinere Newtons viskositetsformel med teoremet som sier at endringen i væskens massefart er lik impulsen fra den bevegelige plata, kan vi utlede en formel for grensesjiktets tykkelse D: η = Væskens viskositet L = Platas lengde ρ= Væskens tetthet v = platas hastighet (i forhold til væsken som er i ro) Dersom vi er interessert i å beregne friksjonskrafta i dette tilfellet, vil ligningen måtte endres v v slik: F = η A endres til F = η A y D

Oppgave: a) Finn grensesjikttykkelsen i vann ved 20 grader Celsius. b) Hvor stor er friksjonskrafta på skroget til en robåt som ros ganske hurtig (v = 1m/s) når båtbunnen som har kontakt med vannet har et areal A= 3m 2? Reynoldstallet Re Forsøk viser at ting ikke er så enkle som ligningene foran framstiller det. Friksjonskraften F følger for eksempel den angitte loven bare for visse hastigheter. Delvis kan dette forklares ved at det oppstår mer eller mindre turbulens under strømningen forbi en båt, en vinge eller en annen gjenstand. En har kommet til en størrelse som er velegnet som målestokk for å avgjøre hvordan strømningen av gass elleer væske forbi en hindring oppfører seg, Reynoldstallet Re (oppkalt etter han som laget formelen): Re = ρ v L m /η Her er som vanlig ρ tettheten, v er strømningens hastighet, η er viskositeten og L m er hindringens karakteristiske lengde. Eksempel: Re < 2000 gir laminær strømning mens Re > 3000 gir turbulent strømning. Reynolds utviklet for mer enn hundre år siden formelen for væskestrømning i et rør, og L m er da rørets diameter. Dersom vi bruker ligningen for å undersøke strømningen forbi ei kule, er L m kulas diameter. Bruker vi ligningen for å se når det oppstår turbulens og separasjon over et vingeprofil, er L m vingens kordelengde. Oppgave: 1) Luft strømmer forbi en kule med diameter 1m. Ved hvilken lufthastighet vil det oppstå turbulens? Data for luft ved havnivå og 20 C: Tetthet ρ=1.225 kg/m 3 Viskositet η=18 10-6 Pas 2) Vann med tetthet ρ=1000 kg/m 3 og viskositet η=1 10-3 Pas strømmer gjennom et rør med 2 cm diameter. Ved hvilken vannhastighet oppstår turbulens i røret? Ved hvilken hastighet vil det sikkert oppstå turbulens rundt en båt med lengde 3m? Reynoldstallet er viktig ved modellforsøk i vindtunnell og vi kommer tilbake til dette under behandlingen av vindtunnell.

Luftmotstand (Engelsk: Drag) Luftmotstanden skyldes friksjonsmotstand (Friction Drag) F f og trykkmotstand F t (formmotstand, Form Drag). F = F f + F t Vi har tidligere presentert en formel for friksjonsmotstanden F f = η A v/d der D er grensesjiktets tykkelse og A er arealet. Formelen gjelder strengt tatt bare for laminær strømning, noe vi normalt bare har over en del av vingearealet A, og mindre del jo mindre glatt overflaten er. Skal vi bruke formelen for den del av vingen der vi har separasjon av luftstrømmen (turbulens) må vi i hverfall ta hensyn til at grensesjiktets tykkelse D da øker sterkt. I prinsippet ser vi imidlertid at friksjonsmotstanden øker proporsjonalt med viskositeten, med arealet og med hastigheten. Trykkmotstanden eller formmotstanden F t skyldes det dynamiske overtrykket som bygger seg opp foran en gjenstand i en luftstrøm, samt det undertrykket (suget) som oppstår bak gjenstanden. Igjen blir forholdet forskjellig ved laminær strømning og ved turbulent strømning. Laminær strømning (lav lufthastighet v) mot en vinge med lengde D: F t =C D η v D Her er C D en ubenevnt konstant som avhenger av formen på objektet (vingen) Turbulent strømning (høy lufthastighet v) mot en vinge med frontareal S: F t = ( 1 / 2 ) ρ C D S v 2 Ofte brukes bokstaven D (Drag) som symbol i stedet for F t. D= ( 1 / 2 ) ρ C D S v 2 I de hastigheter som biler og subsoniske fly beveger seg, er det nesten alltid turbulent strømning og vi bruker nesten alltid denne siste innrammede formelen. I mange tilfeller blir den også brukt i tilfeller der vi har mer eller mindre laminær strømning. Da blir beregnet motstand feil og en jukser til så resultatet blir rett ved å si at konstanten C D kan variere med hastigheten (egentlig med Reynoldstallet).

Oppgave 1) En syklist på offroader (oppreist kjørestilling) og en på spesialracer med ei lita fartskåpe konkurrerer. Finn luftmotstanden for begge syklistene ved kjøring i 40 km/t a) I Fjordgata i Trondheim b) I Quito (Equador), 2800 m over havet. Data: Sykkeltype C D Frontareal inkl. syklist Offroader 1.1 S=0.5m 2 Spesialracer 0.7 S=0.38m 2 Oppgave 2) En Honda Accord LXI 1986 har C D =0.32. Frontareal 168 cm bredx 135 cm høy. Finn luftmotstand og effektforbruk ved kjøring i 100 km/t Særlig for fly snakkes det noen ganger om interferensmotstand (interference drag) som et tilleggsledd til formmotstanden. Interferensmotstanden skyldes at strømningshastigheten over forskjellige deler av vinge og flykropp er ulik. dette forårsaker ekstra hvirvling i overgangssonene og dermed en øking av luftmotstanden. Parasittisk motstand (parasitic drag) betegner forskjellige typer luftmotstand fra de ikkebærende deler av flyet (flykroppen, understellet o.l.).

BERNOULLIS TEOREM (Kermode s. 59 og 66) Teoremet forutsetter laminær strømning (ikke turbulent) og ikke-sammentrykkbar gass eller væske. Teoremet kan utledes fra at 3 energi = konstant for et isolert system For en luftpartikkel i en luftstrøm vil dette si at Potensiell energi + bevegelsesenergi + trykkenergi = konstant Ser vi kun på horisontal strømning, kan vi se bort fra potensiell energi, for den endrer seg ikke under strømningen: Bevegelsesenergi + Trykkenergi = konstant ½ mv 2 + F s = konstant ½ ρv v 2 + pa s = konstant ½ ρv v 2 + p V = konstant ½ ρ v 2 + p = konstant Her er ρ lufttettheten v er lufthastigheten p er det statiske lufttrykk dynamisk trykk statisk trykk Dette er kjent som Bernoullis teorem eller Bernoullis ligning. Eksempler Luftstrøm i et Venturi-rør med varierende tverrsnitt Hastigheten øker Hastigheten avtar igjen Når tverrsnittsarealet dobles, kan samme luftmengde passere pr. sekund ved halve hastigheten, dvs. v 2 =50 m/s Bernoulli sier oss da da at der lufthastigheten er halvert må trykket være det doble.

Luftstrøm over en hump lufthastighet større hastighet lavere hastighet høyt trykk lavere trykk Luftstrøm langs en bæreflate med positiv angrepsvinkel Trykkfordeling langs bæreflaten Trykkfordeling i bevegelse Trykkfordeling i ro Resulterende krefter på bæreflaten

Løftet L Vi er interessert i å kunne beregne løftet L (benevning [Newton] ) Hvis vi kjenner midlere trykkdifferanse mellom over- og underside av vingen, må løftet bli: L = p S der p er midlere trykkdifferanse og S er vingens areal. (Løftet er nesten vinkelrett på vingen og en regner som regel S som vingens kordeareal, selv om det er en liten tilnærmelse). Trykkdifferansen p kan uttrykkes med Bernoullis teorem som: p = ½ ρ v 2 C L Her har vi hoppet over noe mellomregning og innført konstanten C L som er avhengig av forholdet mellom lufthastighetene over og under vingen, dvs. avhengig av vingens form og angrepsvinkel. Formelen for løftet blir altså L = ½ ρ v 2 C L S Konstanten C L må altså være kjent for det aktuelle vingeprofil og for den aktuelle angrepsvinkel. Draget D Merk at draget D som er definert i figuren på forrige side, bare er en komponent av resulterende kraft pga trykkfordelingen rundt vingen. Vi får derfor helt tilsvarende beregningsformel for drag som for løft, men proporsjonalitetskonstanten blir en annen: D = ½ ρ v 2 C D S S er fortsatt vingens kordeareal, og den nye konstanten C D (Drag Coefficient) er igjen avhengig av vingeprofilet og angrepsvinkelen.

Eksempel på hvordan C L og C D varierer med angrepsvinkelen for et gitt vingeprofil

Oppgave. Et fly bruker vingeprofilet på forrige side, har vingeareal S=20 m 2 og flyr horisontalt med angrepsvinkel α = 8 og hastighet v = 194 knop (100 m/s) i en høyde der lufttettheten er ρ = 1.0 kg/m 3. q) Beregn løft og drag fra vingen b) Hvilken effekt utvikler motoren? c) Hvilken masse har flyet? Oppgave Ved flyging i 6000 m høyde viser fartmåleren 204 knop (indicated airspeed) Fartsmåleren bruker et pitotrør (Kermode s.59-63) trykk p trykk p p -p a) Bruk Bernoullis teorem og finn trykkdifferansen (p -p) i pitotrøret. Trykkdifferansemåler b) Hva er flyets True Airspeed hvis vi antar normalatmosfære (figur i Kermode s. 35)? VINDTUNNELL Kermode s. 43-49 (9. utgave)