Wyjaśnienie zjawiska:

Nacierające na skrzydło strugi powietrza zostają rozdzielone na opływ nad i pod skrzydłem w punkcie spiętrzenia. Wraz ze zmianą kąta natarcia, punkt ten będzie przesuwał się na krawędzi natarcia skrzydła. Zwiększając kąt natarcia, punkt spiętrzenia przesunie się do dołu. Analogicznie, zmniejszając kąt natarcia, punkt spiętrzenia będzie się przesuwał w górę krawędzi natarcia. Na górnej powierzchni płata, od punktu spiętrzenia do punktu oderwania, znajduje się laminarna warstwa przyścienna. Warstwa ta charakteryzuje się opływowymi strugami powietrza, które zaznaczono liniami. Opływ laminarny przechodzi w opływ turbulentny w punkcie przejściowym. Strugi powietrza są tam rozproszone. Umiejscowienie poszczególnych punktów na płacie zależy od prędkości opływu płata przez strugi powietrza. Zwiększając kąt natarcia skrzydła, przyspieszany jest opływ na górnej powierzchni skrzydła i punkt oderwania przesuwa się w kierunku krawędzi natarcia skrzydła, czyli w kierunku napływu strug powietrza. Analogicznie, zmniejszając kąt natarcia, punkt oderwania przesuwa się w kierunku krawędzi spływu, czyli zgodnie z kierunkiem napływających strug powietrza. Przesuwanie się punktu oderwania w kierunku krawędzi natarcia skrzydła sprawia, że warstwa laminarna zmniejsza się na rzecz zwiększenia się obszaru warstwy turbulentnej. Punkt oderwania to granica pomiędzy opływem laminarnym a turbulentnym. Przejście tego opływu nie odbywa się w jednym punkcie, a tworzy rejon przejściowy czyli tak zwany pęcherz oderwania laminarnego. Punkt przejściowy wyznacza początek oderwania laminarnego, a punkt oderwania określa przejście warstwy laminarnej w turbulentną.

Znajdujesz się w laboratorium. Przeprowadzimy tu kilka badań.

1. Badania jakościowe w mechanice płynów

   Aby prowadzić badania jakościowe w mechanice płynów, możemy korzystać z kanału wodnego. Jest to długa rura przebiegająca przez niemal całą długość pomieszczenia o średnicy około pół metra. Ma drewnianą obudowę i stoi ma stelażu. Nasz jest kanałem zamkniętym, w którym przepływ wywoływany jest przez koło wodne. Strumień kierowany jest przez kierownicę. Czynnikiem wizualizacyjnym jest pył aluminiowy. Pył aluminiowy unosi się na wodzie dzięki napięciu powierzchownemu cieczy. Dzięki niemu można obserwować ruchy wody w określonych warunkach. Po umieszczeniu poszczególnych ciał w kanale wodnym, możemy omówić opływ wokół różnych kształtów oraz wywnioskować, jakie ciała są dobrze opływane.

2. Powstawanie przepływu laminarnego i turbulentnego

   W latach osiemdziesiątych dziewiętnastego wieku Osborne Reynolds przeprowadził doświadczenie, dzięki któremu zaczęto dzielić przepływ na turbulentny i laminarny. Badał on przepływ na zbudowanym stanowisku laboratoryjnym, które składało się z połączonych za sobą pionowych i poziomych rurek szklanych na zamontowanych na specjalnym drewnianym stole laboratoryjnym. Z lewej strony znajdowała się kolba z zabarwioną cieczą, która odprowadzona była za pomocą cienkiej rurki wprowadzonej do szerszej rurki z czystą wodą. Rurki były ustawione poziomo. Zabarwiona ciecz wprowadzana była w sam środek przekroju szerszej rurki. Po jej wstrzyknięciu, Reynolds obserwował ruch barwnika w czystej wodzie. Zbiornik po prawej stronie został napełniony czystą wodą i znajdowała się w nim rura zakończona zaworem. Zawór regulował wydatek, czyli ilość płynu przepływającego przez daną powierzchnię, zabarwionej cieczy, dostającej się do szklanej szerszej rury. Reynolds zauważył zależność między wielkością wydatku a charakterem przepływu w szklanej rurze. W pierwszym przypadku wydatek był dostatecznie mały, zabarwiona ciecz nie mieszała się z wodą, przepływ był warstwowy i prostoliniowy. Po zwiększeniu wydatku, przepływ stał się falisty, nadal zabarwiona ciecz nie mieszała się z wodą. W trzecim przypadku wydatek był wystarczająco duży, dzięki czemu osiągnął wartość krytyczną.  Doprowadziło to do zmieszania się zabarwionej cieczy z wodą, najpierw lokalnie, później na całej długości rury.

   W pierwszym i drugim przypadku smuga cieczy, która nie mieszała się z wodą, miała przepływ uwarstwiony czyli laminarny. W trzecim przypadku mówimy o przepływie turbulentnym, burzliwym. Jest to ruch nieustalony, tory elementów będących w ruchu są różne i stosunkowo trudne do określenia. 

   Prędkość krytyczna przejścia przepływu z laminarnego – w mieszany, aż do turbulentnego – zależy od takich parametrów jak: temperatura cieczy, lepkość oraz średnicy rury i wymiar charakterystyczny. Okazało się, że przejście z rodzaju przepływu laminarnego w turbulentny zachodzi przy określonej wartości. Wyrażenie to nazywamy liczbą Reynoldsa i jest ona opisana przez wzór:
   $Re=\frac{u\cdot l}{\nu}$, gdzie:
   $Re$ – liczba Reynoldsa, jest bezwymiarowa,
   $u$ – prędkość charakterystyczna płynu w $\left[\frac{\text m}{\text s}\right]$,
   $l$ – wymiar charakterystyczny zagadnienia w $\left[\text m\right]$,
   $\nu$ – lepkość kinematyczna płynu w $\left[\frac{\text m^2}{\text s}\right]$.
   Wyrażenie to nazywamy liczbą Reynoldsa.

   Dla przepływów w rurociągach wartość krytycznej liczby Reynoldsa waha się w szerokich granicach (od 2320 do 50 000):

   Podobne doświadczenie, które miałoby na celu zaobserwowanie różnic między przepływem laminarnym i turbulentnym, a także krytycznych liczb Reynoldsa dla przepływów w rurociągach o przekroju kołowym jako kryterium przejścia pomiędzy przepływem laminarnym i turbulentnym i odwrotnie, można przeprowadzić na współczesnych, bardziej skomplikowanych urządzeniach. Podczas wykonywania zadania laboratoryjnego przez regulowanie stanu otwarcia zaworów można doprowadzić do przepływu laminarnego, mieszanego bądź turbulentnego – zgodnie z doświadczeniem Reynoldsa. Wykonując pomiary, mierzymy czas, temperaturę, średnicę rur i objętość i jesteśmy w stanie policzyć przybliżoną liczbę Reynoldsa.

3. Turbina Francisa

   Turbina to silnik przetwarzający energię kinetyczną gazu, pary lub cieczy, przepływających między łopatkami wirnika, na energię mechaniczną.
   Rozróżniamy turbiny akcyjne i reakcyjne. Pierwszą energię prędkości pozyskują przez zmianę energii ciśnienia wody, będącą na wlocie, docelowo na energię mechaniczną. Turbiny reakcyjne natomiast wykorzystują energię ciśnienia i energię kinetyczną.

   Przykładem turbiny jest turbina Francisa. Klasyfikuje się ją jako turbinę wodną, turbinę reakcyjną. Woda przepływa w niej przez wirnik na turbiny promieniowe.

   Turbina Francisa składa się ze zbiornika górnego, łopatek, wirnika, kanałów i rur. Najpierw woda wypływa z górnego zbiornika do całego układu, skąd wpływa na łopatki kierownicze, których zadaniem jest zwiększenie prędkości wody w turbinie. Woda płynąca z większą prędkością zasila wirnik roboczy i przepływa przez niego do rury ssawnej, co wywołuje reakcję hydrodynamiczną. Wirnik zostaje wprowadzony w ruch, działając w kierunku przeciwnym do płynącej wody.

   Turbinę Francisa wynalazł Amerykanin James Francis w 1849 roku.

4. Określanie strat przepływu w rurociągach

   Stanowisko laboratoryjne służące do określania strat przepływu w rurociągach wyposażone jest w maszynę z metalową matrycą w kształcie prostokąta, która ustawiona jest pionowo. Przymocowane są do niej niewielkie przezroczyste rurki o różnych ustawieniach i połączone w różnych konfiguracjach. Na matrycy znajdują się również małe czujniki i mniejsze urządzenia pomiarowe. Przy pomocy tego sprzętu realizować możemy ćwiczenia mające na celu demonstracje pomiaru prędkości, strat hydraulicznych na tarcie, strat lokalnych. Daje on możliwość ocenienia wielkości spadku naporu hydraulicznego wzdłuż rurociągu przy różnej prędkości przepływu.

5. Waga aerodynamiczna, tunel aerodynamiczny

   Tunel aerodynamiczny jest urządzeniem badawczym aerodynamiki doświadczalnej, wykorzystywanym do badania opływu gazu lub cieczy wokół obiektu. Tunel powietrzny ma za zadanie generować nieustanny ruch gazu – powietrza. Rozróżniamy tunele otwarte i zamknięte, mówimy wtedy o zamkniętym lub otwartym obiegu płynu. Tunel składa się z szerokich rur tworzących ustawiony w pionie na przykład prostokąt albo okrąg. W górnym w cudzysłowie boku tego prostokąta lub w górnej części okręgu znajduje się przerwa, a w niej rama do montażu modelu i badany model w niej zamontowany. Rurami przepływa powietrze. Za pomocą urządzeń podpiętych do rur, turbiny wewnętrznej oraz zakrzywień, można sterować powietrzem w tym obiegu, uzyskując pożądane warunki dla modelu, który chcemy zbadać.

   W tunelu za ruch powietrza odpowiada turbina lub kilka turbin działających razem, napędzanych odpowiednimi silnikami. W tunelu o obiegu zamkniętym występują łopatki kierownicze odpowiadające za kierunek przepływu strumienia powietrza. Dzięki nim i stabilizatorom przepływu uzyskujemy przepływ zbliżony do liniowego, nakierunkowany na badany obiekt. Badania w tunelach zwykle polegają na pomiarze sił i momentów za pomocą wagi aerodynamicznej. Pozwala to ocenić wpływ kąta natarcia na wartości sił i momentów i na tej podstawie wyznaczyć zależność współczynników aerodynamicznych od kąta natarcia. Otrzymane charakterystyki aerodynamiczne mogą być przydatne w zagadnieniach mechaniki lotu do określenia toru ruchu samolotu i warunków jego równowagi. W trakcie badań model samolotu bądź inny obiekt poddawany badaniom zawieszany jest w przestrzeni pomiarowej tunelu za pomocą napiętych drutów do sztywnej ramy wagi. Waga jest ustawiana za pomocą przekładni ślimakowej, co w połączeniu z miernikiem kąta działa jak swego rodzaju podajnik kąta natarcia. Mechanizm pierścienia wagi pozwala na ustawienie modelu w przestrzeni pomiarowej pod danym kątem natarcia. Przez blokadę pierścienia wagi na dwóch sworzniach uzyskujemy możliwość swobodnego poruszania się pierścienia na jednej z trzech płaszczyzn wzajemnie prostopadłych.

   Zmierzona siła lub moment działający na model przeniesione są na wagę podłączoną do przetworników tensometrycznych, czyli tensometrów. Tensometr jest to urządzenie do pomiaru pośredniego odkształcenia, który służy do pomiaru sił. Przy pomocy modelu matematycznego i stosowanych odpowiednich wzorów przeliczamy wielkość odkształcenia, jakiemu ulega tensometr na wartość działającej siły. Pomiar zachodzi w sposób zautomatyzowany.

   Uwaga: Pamiętać należy, że druty, na których zamocowany jest model, również generują opór i zakłócają przepływ, co należy uwzględnić w wynikach. Przez skończoną średnicę opływu w tunelu, a nie nieskończoną, jak w warunkach rzeczywistych, trzeba wprowadzić kolejne poprawki o charakterze oporu indukowanego i indukowanego kąta natarcia.