Solution Assignment 10 TEP 4100

Like dokumenter
NORGES TEKNISK-NATURVITENSKAPELIGE UNIVERSITET Side 1 av 6 INSTITUTT FOR ENERGI- OG PROSESSTEKNIKK

Løsningsforslag Øving 10

NORGES TEKNISK-NATURVITENSKAPELIGE UNIVERSITET Side 1 av 5 INSTITUTT FOR ENERGI- OG PROSESSTEKNIKK

Semesteroppgave. Gassturbinprosess

Exercise 1: Phase Splitter DC Operation

Løsningsforslag Øving 8

Trigonometric Substitution

Eksamen i fag TEP4110 Fluidmekanikk

Unit Relational Algebra 1 1. Relational Algebra 1. Unit 3.3

Slope-Intercept Formula

EKSAMENSOPPGAVE I FAG TKP 4105

FYSMEK1110 Eksamensverksted 23. Mai :15-18:00 Oppgave 1 (maks. 45 minutt)

TFY4170 Fysikk 2 Justin Wells

0:7 0:2 0:1 0:3 0:5 0:2 0:1 0:4 0:5 P = 0:56 0:28 0:16 0:38 0:39 0:23

GEF2200 Atmosfærefysikk 2017

Graphs similar to strongly regular graphs

Løsningsforslag Øving 7

UNIVERSITETET I OSLO

Moving Objects. We need to move our objects in 3D space.

UNIVERSITETET I OSLO ØKONOMISK INSTITUTT

Neural Network. Sensors Sorter

Oppgave. føden)? i tråd med

UNIVERSITETET I OSLO ØKONOMISK INSTITUTT

NO X -chemistry modeling for coal/biomass CFD

KROPPEN LEDER STRØM. Sett en finger på hvert av kontaktpunktene på modellen. Da får du et lydsignal.

SCE1106 Control Theory

Solutions #12 ( M. y 3 + cos(x) ) dx + ( sin(y) + z 2) dy + xdz = 3π 4. The surface M is parametrized by σ : [0, 1] [0, 2π] R 3 with.

D. Energibetraktninger ved stasjonær strøm

STILLAS - STANDARD FORSLAG FRA SEF TIL NY STILLAS - STANDARD

Physical origin of the Gouy phase shift by Simin Feng, Herbert G. Winful Opt. Lett. 26, (2001)

Løsningsforslag: Kurs TEP4195 TURBOMASKINER. NTNU Institutt for Energi- og Prosessteknikk FREDAG 21. MAI 2004 TID: 09:00 13:00

Generalization of age-structured models in theory and practice

Ringvorlesung Biophysik 2016

PSi Apollo. Technical Presentation

Løsningsforslag Øving 6

UNIVERSITETET I OSLO ØKONOMISK INSTITUTT

Stationary Phase Monte Carlo Methods

Speed Racer Theme. Theme Music: Cartoon: Charles Schultz / Jef Mallett Peanuts / Frazz. September 9, 2011 Physics 131 Prof. E. F.

Verifiable Secret-Sharing Schemes

Eksamensoppgave i TMA4320 Introduksjon til vitenskapelige beregninger

MID-TERM EXAM IN TEP4125 THERMODYNAMICS 2 Friday 28 March 2014 Time: 10:30 11:30

AUDITORIEØVING NR 2 TEP 4105 FLUIDMEKANIKK

Perpetuum (im)mobile

I. Stasjonær strøm i rør

Universitetet i Bergen Det matematisk-naturvitenskapelige fakultet Eksamen i emnet Mat131 - Differensiallikningar I Onsdag 25. mai 2016, kl.

5 E Lesson: Solving Monohybrid Punnett Squares with Coding

TMA4329 Intro til vitensk. beregn. V2017

SVM and Complementary Slackness

Maple Basics. K. Cooper

Midnight BBQ Light USER MANUAL

TMA4240 Statistikk 2014

Page 2 of 3. Problem 1.

ABRAJET. Water. tool. Watech AS Waterjet technology. as a. three machines in one. Patent pend.

Oppgavesett kap. 6 (3 av..) GEF2200

UNIVERSITY OF OSLO DEPARTMENT OF ECONOMICS

EN Skriving for kommunikasjon og tenkning

Bruk av Aluminium Offshore & i Industrien

HONSEL process monitoring

Andrew Gendreau, Olga Rosenbaum, Anthony Taylor, Kenneth Wong, Karl Dusen

Eksamen vind og vannkraft 2013

Justeringsanvisninger finnes på de to siste sidene.

UNIVERSITETET I OSLO ØKONOMISK INSTITUTT

Databases 1. Extended Relational Algebra

2A September 23, 2005 SPECIAL SECTION TO IN BUSINESS LAS VEGAS

UNIVERSITETET I OSLO ØKONOMISK INSTITUTT

INTRODUKSJON HYDRODYNAMIKK

UNIVERSITY OF OSLO DEPARTMENT OF ECONOMICS

UNIVERSITETET I OSLO ØKONOMISK INSTITUTT

Implementering av korreksjonsfaktorer for temperatur og trykkeffekter i ultralyd gassmålere Løypemelding fra OD-prosjekt

Splitting the differential Riccati equation

Hvor mye teoretisk kunnskap har du tilegnet deg på dette emnet? (1 = ingen, 5 = mye)

Endelig ikke-røyker for Kvinner! (Norwegian Edition)

Søker du ikke om nytt frikort/skattekort, vil du bli trukket 15 prosent av utbetalingen av pensjon eller uføreytelse fra og med januar 2016.

SERK1/2 Acts as a Partner of EMS1 to Control Anther Cell Fate Determination in Arabidopsis

Medisinsk statistikk, KLH3004 Dmf, NTNU Styrke- og utvalgsberegning

MID-TERM EXAM TDT4258 MICROCONTROLLER SYSTEM DESIGN. Wednesday 3 th Mars Time:

Satellite Stereo Imagery. Synthetic Aperture Radar. Johnson et al., Geosphere (2014)

Hvordan føre reiseregninger i Unit4 Business World Forfatter:

Accuracy of Alternative Baseline Methods

Løsningsforslag Øving 2

STØTTEMATERIALE TIL FORELESNINGENE OM SKATT

Hva skal vi dimensjonere rør og flomveier for i fremtiden og hvordan gjør vi det

UNIVERSITETET I OSLO

NORGES TEKNISK-NATURVITENSKAPELIGE UNIVERSITET Side 1 av 4 INSTITUTT FOR ENERGI- OG PROSESSTEKNIKK

Forecast Methodology September LightCounting Market Research Notes

Risikofokus - også på de områdene du er ekspert

UNIVERSITETET I OSLO ØKONOMISK INSTITUTT

Kalibrering. Hvordan sikrer Norsonic sporbarhet av måleresultatene. Ole-Herman Bjor

1 User guide for the uioletter package

Confidence-based Data Management for Personal Area Sensor Nets

GEF2200 Atmosfærefysikk 2016

SFI-Norman presents Lean Product Development (LPD) adapted to Norwegian companies in a model consisting of six main components.

Han Ola of Han Per: A Norwegian-American Comic Strip/En Norsk-amerikansk tegneserie (Skrifter. Serie B, LXIX)

Dean Zollman, Kansas State University Mojgan Matloob-Haghanikar, Winona State University Sytil Murphy, Shepherd University

Den som gjør godt, er av Gud (Multilingual Edition)

Independent Inspection

SAMPOL115 Emneevaluering høsten 2014

Product Facts. Product code example

TMA4240 Statistikk Høst 2013

Transkript:

8 9 Solion Assignment 10 TEP 4100 Solion The flow rate through a specified water pipe is given. The pressure drop, the head loss, and the pumping power requirements are to be determined. Assumptions 1 The flow is steady and incompressible. The entrance effects are negligible, and thus the flow is fully developed. The pipe involves no components such as bends, valves, and connectors. 4 The piping section involves no work devices such as pumps and turbines. Properties The density and dynamic viscosity of water are given to be = 999.1 kg/m and = 1.1810 kg/ms, respectively. The roughness of stainless steel is 0.00 mm. Analysis First we calculate the average velocity and the Reynolds number to determine the flow regime: V V 0.009 m / s V 4.584 m / s A c / 4 (0.05 m) / 4 V (999.1 kg/m )(4.584 m/s)(0.05 m) Re.01 10 1.18 10 kg/m s which is greater than 4000. Therefore, the flow is turbulent. The relative roughness of the pipe is 6 10 m 5 / 4 10 0.05 m The friction factor can be determined from the Moody chart, b to avoid the reading error, we determine it from the Colebrook equation using an equation solver (or an iterative scheme), 5 1 /.51 1 4 10.51.0 log.0 log f 5.7 Re f f.7.01 10 f It gives f = 0.01594. Then the pressure drop, head loss, and the required power inp become P P h f P g W pump f V 0.01594 0 m 0.05 m (999.1 kg/m )(4.584 m/s) 5 1kN 1000 kg m/s 1kPa 1kN/m V 0.01594 g 0 m 0.05 m (4.584 m/s) 10. m (9.81 m/s ) V P (0.009 m 1kW / s)(100.4 kpa) 1kPa m 0.904 kw /s 100.4 kpa 100 kpa Therefore, useful power inp in the amount of 0.904 kw is needed to overcome the frictional losses in the pipe. iscussion The friction factor could also be determined easily from the explicit Haaland relation. It would give f = 0.01574, which is sufficiently close to 0.01594. Also, the friction factor corresponding to = 0 in this case is 0.0156, which indicates that stainless steel pipes in this case can be assumed to be smooth with an error of abo %. Also, the power inp determined is the mechanical power that needs to be imparted to the fluid. The shaft power will be more than this due to pump inefficiency; the electrical power inp will be even more due to motor inefficiency. Water 9 /s = 0 m = 5 cm Page 1 of 6

8 41 Solion aminar flow through a square channel is considered. The change in the head loss is to be determined when the average velocity is doubled. Assumptions 1 The flow remains laminar at all times. The entrance effects are negligible, and thus the flow is fully developed. Analysis The friction factor for fully developed laminar flow in a square channel is 56.9 f where Re V Re V Then the head loss for laminar flow can be expressed as h 1 V 56.9 V 56.9 V, f 8. 46V g Re g V g g which shows that the head loss is proportional to the average velocity. Therefore, the head loss doubles when the average velocity is doubled. This can also be shown as h iscussion 8 h g g g,.46v 8.46(V ) 8.46V The conclusion above is also valid for laminar flow in channels of different cross sections.,1 Page of 6

8 4 Solion Turbulent flow through a smooth pipe is considered. The change in the head loss is to be determined when the average velocity is doubled. Assumptions 1 The flow remains turbulent at all times. The entrance effects are negligible, and thus the flow is fully developed. The inner surface of the pipe is smooth. Analysis The friction factor for the turbulent flow in smooth pipes is given as 0. f 0.184 Re where V Re Then the head loss of the fluid for turbulent flow can be expressed as h V 0. V V V V f,1 0.184 Re 0.184 0.184 g g g g which shows that the head loss is proportional to the th power of the average velocity. Therefore, the head loss increases by a factor of =.48 when the average velocity is doubled. This can also be shown as h, 0.184 0. 0.184 0. V g 0.184 V g h,1 0. (V ) g.48h,1 0. For fully rough flow in a rough pipe, the friction factor is independent of the Reynolds number and thus the flow velocity. Therefore, the head loss increases by a factor of 4 in this case since V h, 1 f g and thus the head loss is proportional to the square of the average velocity when f,, and are constant. 0. V iscussion Most flows in practice are in the fully rough regime, and thus the head loss is generally assumed to be proportional to the square of the average velocity for all kinds of turbulent flow. Note that we use diameter here in place of hydraulic diameter h. For a square duct, it turns o that h =, so this is a valid approximation. 8 8 Solion Water is transported to a residential area through concrete pipes, and the idea of lining the interior surfaces of the pipe is being evaluated to reduce frictional losses. The percent increase or decrease in the pumping power requirements as a result of lining the concrete pipes is to be determined. Assumptions 1 The flow is steady and incompressible. The entrance effects are negligible, and thus the flow is fully developed. The pipe line involves no components such as bends, valves, and connectors, and thus no minor losses. 4 The flow is turbulent (to be verified). Properties The density and kinematic viscosity of water are given to be = 1000 kg/m and = 110 6 m /s. The surface roughness is mm for concrete and 0.04 mm for the lining. Analysis CASE 1 (concrete pipe, = 0.70 m). The average velocity and the Reynolds number are: Page of 6

V V 1.5 m /s V.898 m/s A c / 4 (0.70 m) / 4 Water V (.898 m/s)(0.70 m) 6 = 70 cm Re.78 10 1.5 m /s 6 110 m / s Since Re > 4000, the flow is turbulent. The relative roughness of = 1500 m the pipe is 0.00 m / 0.00486 0.7 m The friction factor can be determined from the Moody chart, b to avoid the reading error, we determine it from the Colebrook equation using an equation solver (or an iterative scheme), 1 /.51 1 0.00486.51.0 log.0 log f 6.7 Re f f.7.78 10 f It gives f = 0.0904. Then the head loss and the required useful power inp become V 1500 m (.898 m/s) h f (0.0904) 48.19 m 48. m g 0.70 m (9.81 m/s ) 1kN 1kW W pump, u V gh (1.5 m /s)(1000 kg/m )(9.81m/s )(48.19 m) 709.1kW 709 kw 1000 kg m/s 1kN m/s CASE For the case of pipe with lining, = 0.66 m. Then the average velocity and the Reynolds number are: V V 1.5 m /s V 4.84 m/s A c / 4 (0.66 m) / 4 Water = 66 cm V (4.84 m/s)(0.66 m) 6 1.5 m /s Re.8910 6 110 m / s Since Re > 4000, the flow is turbulent. The relative roughness of = 1500 m the pipe is 5 4 10 m 5 / 6.06110 0.66 m The friction factor can be determined from the Moody chart, b to avoid the reading error, we determine it from the Colebrook equation using an equation solver (or an iterative scheme), 5 1 /.51 1 6.06110.51.0 log.0 log f 6.7 Re f f.7.89 10 f which yields f = 0.01175. Then the head loss and the required useful power inp become h f V 1500 m (4.84 m/s) (0.01175) 6.16 m 6. m g 0.66 m (9.81 m/s ) W V gh pump, u (1.5 m /s)(1000 kg/m 1kN )(9.81m/s )(6.16 m) 1000 kg m/s 1kW 84.9 kw 85 kw 1kN m/s The required pumping power changes by (85 709)709 = 0.457; a decrease of 45.7%. iscussion Note that the pipe head losses and the required pumping power are reduced almost by almost half as result of lining the inner surface of the concrete pipes, despite the reduction in pipe diameter. This confirms the importance of having smooth surfaces in piping. Page 4 of 6

Oppg : a) Trykk i flaska = trykk i sykkelpumpa = F/Areal Kraft 4 100N pflaske 197kPa / 4 d (0.054m) overtrykk ( gage ). b) Bernoulli s likning langs en strømlinje fra vannoverflaten inne i flasken og gjennom dysa. Inkompressibel, stasjonær og friksjonsfri strømning, neglisjerer ev. høydeforskjell: pflaske pa v (pflaske p a ) 0 0 0 v 480 1.9 m / s V S : Hastighet i slangen finnes fra massebevarelse: S S S S 0.005m 1 Qv v v v v v 4 4 0.010m 4 1.9m / s v 0.01m S S Re 4 55000 6 10 m / s Reynoldstallet i slangen er større enn 00, altså er strømningen turbulent. c) Vi har to kontraksjoner (innsnevringer): Fra flasken til slangen: Fra slangen til dysa: S 99 KC1 0.51 0.5 0.495 flaske 100 KC 0.51 0.5 0.75 S 4 I tapsleddene skal disse faktorene multipliseres med v / der hastigheten v er i det minste røret. Bernoulli med kontraksjonstap: pflaske pa v vs v 1 KC1 KC der vs 4 v 1 v 1 p flaske p a 1 K C1 16 K C (1) pflaske pa 480 1 K K 1 0.01 0.75 v 18.5m/s 1 C1 16 C Page 5 of 6

d) Friksjonstap: v f der 50cm og v v. S 1 S 4 S Vi har en ukjent hastighet v S i Reynoldstallet Re, og dermed er friksjonsfaktoren f også ukjent: v 1 flaske a 16 1 1 p p 1 0.01 0.75 f der log Re f 0.8 f S pflaske pa v 50 (pflaske p a ) 480 1.406 f v 16 (1.406.15f ) 1.406.15f Vi løser oppgaven med en iterasjonsprosess: Start med å gjette et Reynoldstall, f.eks Re = 55000. Fra Colebrook (eller Moody-diagram) f = 0.005 eretter: v 480 1.406.15f 18.07m / s eretter: v /4 S Re 45177 f 0.014 eretter: v 480 1.406.15f 18.05m / s osv. Iterasjonsprosessen konvergerer svært hurtig. Uansett: friksjonstapet er minimalt i en så kort slange. Batterisyre: Større viskositet ν gir mindre Re gir større f gir mindre v ( 17.86 m/s ) Bensin: Mindre viskositet gir større v ( 18.11 m/s ), dog ikke større enn svaret i c). Iterasjonsprosess i Matlab: Re = 55000; % Starter med å gjette et Reynoldstall for iter=1:5 prandtl=@(f) 1/sqrt(f)-*log10(Re*sqrt(f))+0.8; f=fzero(prandtl,[1e-10 1]); V_=sqrt(480/(1+Kc1/16+Kc+f*/(16*))); Re=V_/16*/ny; fprintf('iterasjon %1.0f: f = %5.4f, V_ = %5.f, Re = %6.0f\n',... iter,f,v_,re) end Programmet gir følgende skrift: Iterasjon 1: f = 0.005, V_ = 18.07, Re = 45177 Iterasjon : f = 0.014, V_ = 18.05, Re = 451 Iterasjon : f = 0.014, V_ = 18.05, Re = 451 Iterasjon 4: f = 0.014, V_ = 18.05, Re = 451 Iterasjon 5: f = 0.014, V_ = 18.05, Re = 451 Iterasjonsprosessen konvergerer svært hurtig, og det spiller liten rolle hvilket Reynoldstall vi gjetter initiellt, 10 og 10 10 går like fint. Page 6 of 6

OPPGAVE: Oljetank a) Friksjonsfri strømning kan benytte Bernoulli langs en strømlinje. Bernoulli fra væskeoverflaten i tanken til løpet av løpsrøret: G a 0 P P V gh Q0, der V0 4 1 4Q0 PG Pa gh Trykket i A er lik det statiske: PA PG gh Trykket i B ved å bruke Bernoulli fra A til B: P P 1 V P B A b a b) Friksjon i røret. Minste rørlengde fås når rørlengden er lik innløpslengden: V 0.06 4 0.06 Q0 6.7m V 4Q0 Krav: strømningen skal være laminær: 00 0.046m 00 c) Gasstrykket P G. Benytter Bernoulli med tap fra fri overflate til løpet. Vi har kun friksjonstap over rørlengden: G a V 64 0 8 gh PG Pa gh 1 V Q0 P P 4Q der α = for fullt viklet laminær rørstrømning. I oppgave a) regnet vi friksjonsfritt, altså skal svaret i c) gi en større verdi for trykket P G. Sammenligning av de to rykkene viser at dette stemmer. Faktoren ½ i a)-svaret er nå blitt til [ 1 +...] Vi har to nye effekter her: α = betyr at vi har fått lagd et fullt viklet hastighetsprofil, og vi har friksjonstap over rørlengden. d) Trykket i B kan finnes som i a); Bernoulli(en tap) fra A til B: 1 PB PA V, her er 1 fordi hastigheten over tverrsnittet i B er konstant. Trykket i A er det samme som tidligere: lik det statiske trykket. PA PG gh, men nå er P G større. Videre: Bernoulli med tap fra B og : PB V Pa V V 64 1 1 PB Pa V V V ( 1 1, )

p p A ½ρU : Trykkfall for å aksellerere opp oljen til U. p B ½ρU : Trykkfall for å gjøre om U til fullt vilket profil. p a A Trykktap fra friksjon over rørlengden B ca. e x