Hm15031D

Systeme für die technische Ausbildung

Versuchsanleitung HM150.31 Potentialwirbel

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Alle Rechte vorbehalten G.U.N.T. Gerätebau GmbH, Barsbüttel

HM150.31 Wirbelbildungen, motorisch

HM150.31

123.4 SEL

Strömungsapparat Vortex Apparatus RST

Speed/Drehzahl 1/min An/ On

Aus/Off Speed/Drehzahl

Motor

Versuchsanleitung

Druckschrift Nr.: 917.00031A15002

04/01

HM150.31 Wirbelbildungen, motorisch

Inhaltsverzeichnis 1 Gerätebeschreibung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1

Alle Rechte vorbehalten G.U.N.T. Gerätebau GmbH, Barsbüttel

2 Versuchsvorbereitung und Durchführung. . . . . . . . . . . . . . . . . . 4 2.1

Versuchsvorbereitung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4

2.2

Messungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5

3 Versuche. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8 3.1

Freie Wirbelbildung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8

3.2

Erzwungene Wirbelbildung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10

4 Technische Daten. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12

HM150.31 Wirbelbildungen, motorisch

1

Gerätebeschreibung Das Gerät ist für den Ausbildungs- und Versuchsbetrieb bestimmt. Es wurde entwickelt um freie und erzwungene Wirbelbildungen zu erzeugen und zu untersuchen.

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Der freie Wirbel wird durch einen Auslaufvorgang aus einem Behälter erzeugt. Im Behälterboden können verschiedende Ausläufe mit unterschiedlichen Durchmessern eingesetzt werden. Das Wirbelprofil kann mit einer kombinierten Radius- und Höhenmesseinrichtung gemessen werden. Der erzwungene Wirbel wird dadurch erzeugt,daß sich der gesamte Testbehälter durch einen Motor in eine Drehbewegung versetzen läßt. Das Profil des erzwungenen Wirbels wird mit einem kombinierten Radius-/Höhentaster abgenommen. Die Geschwindigkeit der freien und erzwungenen Wirbel kann mit einem Pitot-Rohr gemessen werden. Mit den ermittelten Werten lassen sich Vergleiche von Versuch und Theorie machen. Die Wasserversorgung erfolgt entweder durch HM 150 Grundmodul Strömungstechnik oder über das Labornetz. Mit HM 150 läßt sich ein geschlossener Wasserkreislauf aufbauen.

1 Gerätebeschreibung

1

HM150.31 Wirbelbildungen, motorisch

Das Gerät besteht im wesentlichen aus folgenden Komponenten: 5

6 4 Alle Rechte vorbehalten G.U.N.T. Gerätebau GmbH, Barsbüttel

7

8 9 3 10 11

HM150.31

123.4

2

SEL

Strömungsapparat Vortex Apparatus RST

Speed/Drehzahl 1/min An/ On

Aus/Off

1

1 2 3 4 5 6

12

Grundplatte Zulaufanschluß Schrägsitzventil für Zulaufregulierung Wassereinlauf Höhenmeßvorrichtung Rediusmeßvorrichtung

1 Gerätebeschreibung

Speed/Drehzahl

Motor

7 Höhentaster und Pitotrohr 8 transparenter doppelwandiger Wirbelbehälter 9 austauschbarer, zentraler Auslauf 10 Antriebsmotor für Rotationsbewegung 11 Steuerghäuse 12 Ablauf

2

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HM150.31 Wirbelbildungen, motorisch

Das Steuergerät beinhaltet die Ansteuerelektronik des Motors. Deshalb muß der 16 polige Stecker in die dafür vorgesehene Buchse (1) auf der Rückseite des Steuergehäuses gesteckt werden. Der Anschluß der Netzspannung erfolgt an der Gerätesteckdose (2), die auch Sicherung und Hauptschalter beinhaltet. Der Motor wird über einen Schalter (3) in der Fronttafel ein- und ausgeschaltet. Die Drehzahl des Wirbelbehälters wird mit einem Potentiometer (4) eingestellt und kann auf einer Digitalanzeige (5) abgelesen werden.

Frontseite des Steuergehäuses

Rückseite des Steuergehäuses

5 HM150.31

123.4 SEL

Vor Öffnen des Gehäuses Netzstecker ziehen! Disconnect from power supply before opening!

Strömungsapparat Vortex Apparatus RST

Speed/Drehzahl 1/min An/On

Aus/Off Motor

Speed/Drehzahl

4

1 Gerätebeschreibung

3

Steuergehäuse / Control unit

1

220 - 240 V, 50 Hz

2

3

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HM150.31 Wirbelbildungen, motorisch

2

Versuchsvorbereitung und Durchführung

2.1

Versuchsvorbereitung -

Versuchsaufbau auf HM150 stellen, so daß der Ablauf und der Überlauf das Wasser in den Kanal bzw. den volumetrischen Tank leiten.

-

Einbauten entsprechend gewünschtem Versuch in die Bodenplatte einsetzen. (Auslauf mit unterschiedlichen Durchmessern mit Hakenschlüssel der Bodenplatte entnehmen)

-

Schlauchverbindung zwischen HM150 und dem Gerät herstellen und Ablauf HM150 öffnen.

-

Haupthahn HM150 schließen und Pumpe HM150 einschalten.

-

Haupthahn HM150 langsam öffnen

-

Mit dem Schrägsitzventil (1) im Zulauf kann eine genaue Regulierung der Wassermengen vorgenommen werden. Der erforderliche Volumenstrom ist abhängig von dem Durchmesser des Auslaufes. Bei einem kleinen Durchmesser des Auslaufes fließt das Wasser langsamer ab; es wird daher ein geringerer Volumenstrom als bei einem großen Austrittsquerschnitt benötigt. Bei der erzwungenen Wirbelbildung wird ein Wassersatnd eingestellt. Danach kann der Wasserzufluß unterbrochen werden.

-

ACHTUNG! Darauf achten, daß der Wirbelbehälter nicht überläuft.

1

2 Versuchsvorbereitung und Durchführung

4

HM150.31 Wirbelbildungen, motorisch

2.2

Messungen Radius und Höhe Der kombinierten Radius- und Höhentaster kann über eine bewegliche Traverse in der Höhe verstellt werden. Die Einstellung über den Radius erfolgt durch eine Gewindespindel. -

Für Messungen mit der Rändelschraube (1) eine neue Höhe justieren, dann mit der Gewindespindel (2) an der Traverse den Taster an die Wirbeloberfläche fahren. Gleichzeitig wird mit dem Taststab auch das Pitotrohr zur Geschwindigkeitsmessung verschoben.

-

Ablesepunkte sind: Höhe: Linealabsatz an der Quertraverse (3), es wird die Höhe der Taster über dem Boden abgelesen Radius: Rechte Kante an der Nase des Gleitstücks, es wird der Radius abgelesen

1

200 190 180 170 160 150

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140 130 120 110

2

100 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

110

120

130 140

150

160

170

180

190

200

3

Tasteinrichtung und Pitotrohr

2 Versuchsvorbereitung und Durchführung

5

HM150.31 Wirbelbildungen, motorisch

Geschwindigkeiten über die Drehzahl Die Geschwindigkeit des Wirbels wird am Besten gemessen, indem man ein kleines Stück Papier oder Styropor auf die Oberfläche fallen läßt. Dann muß die Zeit gestoppt werden in der das Stück Papier 10 Umdrehungen mit dem Wirbel gemacht hat. Zusätzlich wird der Radius benötigt auf dem sich das Stück Papier gedreht hat. Die Winkelgeschwindigkeit ω ist: Alle Rechte vorbehalten G.U.N.T. Gerätebau GmbH, Barsbüttel

ω = 2 ⋅ π ⋅ n in

mit n in

1 s

Umdrehungen , Sekunden

die Geschwindigkeit v ergibt sich dann in Abhängigkeit vom Radius r : v = ω ⋅ r in

m s

Beim erzwungenen Wirbel kann die Drehzahl des Wirbelbehälters an der Anzeige des Steuergerätes direkt abgelesen werden. Da sich der komplette Behälter dreht, wird auch das Wasser die Winkelgeschwindigkeit des Behälters annehmen. Es treten keine Reibungsverluste auf.

2 Versuchsvorbereitung und Durchführung

6

HM150.31 Wirbelbildungen, motorisch

Geschwindigkeit mit Pitot-Rohr In der Tasteinrichtung ist auch ein Pitot-Rohr eingebaut. Zur Bestimmung der Geschwindigkeit wird zusätzlich ein U-Rohrmanometer benötigt. -

U-Rohrmanometer an die äußere Behälterwand hängen und bis zur 0-Markierung blasenfrei mit Wasser füllen.

-

U-Rohrmanometer und Pitot-Rohr über einen Schlauch verbinden.

-

Für Messungen die Öffnung des Pitot-Rohres in die Strömung richten, mit dem kombinierten Radien- und Höhentaster kann das Pitot-Rohr auf dem Radius bewegt werden.

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Pitot-Rohr

Geschwindigkeiten, die direkt unter der Oberfläche gemessen werden, können wie folgt berechnet werden: U-Rohrmanometer

w= √ 2 ⋅ g ⋅ ∆h in m/s mit g = 9.81 m/s2 und ∆h = Differenz am U-Rohrmanometer in m. mbar

Pa

mbar

5

500

5

4

400

4

3

300

3

2

200

2

1

100

1

0

0

0

1

100

1

2

200

2

3

300

3

4

400

4

5

500

5

∆h

1 Skalenteil = 10Pa= 0,1mbar Fløssigkeitsdichte 1g/cm 3

2 Versuchsvorbereitung und Durchführung

7

HM150.31 Wirbelbildungen, motorisch

3

Versuche Da beide Wirbel sehr instabil sind, müssen die Versuchsreihen teilweise in Schritten durchgeführt werden. Dazu kann der Wirbel immer wieder auf eine bestimmte Höhe neu aufgebaut werden. Bei allen Versuchen ist es daher sinnvoll über das Schrägsitzventil den Zulauf zu regulieren.

3.1

Freie Wirbelbildung

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Im freien Wirbel ist das Produkt aus v ⋅ r eine Konstante. Damit ist die Winkelgeschwindigkeit vom Radius abhängig. Damit ergibt sich die Höhe h über Grund in Abhängigkeit vom Radius r, der maximalen Wirbelhöhe hmax und der Konstanten k = v ⋅ r : h = hmax −

k2 2 ⋅ g ⋅ r2

mit g = 9.81 m/s2.

Für die folgenden Meßergebnisse wurde der Auslauf mit 16mm Durchmesser eingebaut.

3 Versuche

hmax

h

r

8

HM150.31 Wirbelbildungen, motorisch

Die Wirbelgeschwindigkeit wurde mit dem PitotRohr ermittelt: w = 0.396 m/s an der Stelle r = 60mm.

Meßergebnisse:

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Höhe h in mm Radius r in mm

143 140 135 130 125 120 115 110 105 100 95 80

55

30

22 19

16

14

13 11.5 10

9

Die Meßwerte lassen sich in einem Diagramm darstellen:

Höhe h in mm

150

100

70 0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

Radius r in mm

3 Versuche

9

HM150.31 Wirbelbildungen, motorisch

3.2

Erzwungene Wirbelbildung Bei der erzwungenen Wirbelbildung kann die Winkelgeschwindigkeit ω direkt in die Formel für die Wirbelkontur eingesetzt werden. Sie ist konstant über den Radius. Damit ergibt sich die Höhe h über dem Wirbelbo den in Abhängigkeit vom Radius r und der Winkelgeschwindigkeit ω:

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h=

ω2 ⋅ r2 2⋅g

mit g = 9.81 m/s2

ω

h

r

Für die folgenden Meßergebnisse wurde der Wirbelbehälter in eine Drehbewegung versetzt. Die Einstellung erfolgt über das Potentiometer am Steuergerät. Die Drehzahl kann auf der darüberliegenden Anzeige abgelesen werden. Wenn eine Drehzahl von ca. 80 1/min eingestellt ist ergibt sich eine Wirbelwinkelgeschwindigkeit von: ω = 8.67 1/s Die gemessenen Höhen h werden auf den Meßwert im Zentrum bezogen. Die Höhe des Tasters im Zentrum damit als 0 gesetzt.

3 Versuche

10

HM150.31 Wirbelbildungen, motorisch

Meßergebnisse:

Radius r in mm Höhe h in mm

0

30

50

70

90

110

0

5

10

19

30

48

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Die Meßwerte lassen sich in einem Diagramm darstellen:

Höhe h in mm

80

50

0 0

3 Versuche

10

20

30 40

50 60 70 Radius r in mm

80 90 100 110

11

HM150.31 Wirbelbildungen, motorisch

4

Technische Daten Behälter: Durchmesser: Höhe:

510 / 400mm 250mm

Ausläufe: Durchmesser.

8, 12, 16, 24mm

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Abmessungen: Länge: Breite: Höhe: Gewicht: Steuergehäuse: Versorgung: Drehzahlanzeige Antriebsmotor mit Ansteuerelektronik

4 Technische Daten

640mm 500mm ca.750mm 35kg

230V, 50Hz, 0 - 10kHz 12V DC

12