Исследование процессов, возникающих при вытекании жидкости из сосуда (исследование действия модели помпажных явлений)

Слайд 1

Исследование процессов, происходящих при вытекании жидкости из сосуда, с помощью простейшей модели помпажных явлений Автор: Тюшнякова Наталья, 10 класс Руководитель: Лаврентьева С.В., учитель физики Муниципальное казенное общеобразовательное учреждение Новосибирского района Новосибирской области – Плотниковская средняя общеобразовательная школа № 111 Естественные науки (физика) 2019

Слайд 2

Явление сходно с явлением резонанса при колебаниях механических систем и сопровождается вибрацией машины, усилением шума и нагрева при ее работе. Помпаж (фр. Pompage – колебания, пульсация) Это неустойчивая работа компрессора, вентилятора или насоса, характеризуемая периодически повторяющимися резкими колебаниями напора и расхода перекачиваемой среды. Помпаж в двигателе самолёта

Слайд 3

Помпаж – опасный сбой в работе компрессоров Среды, в которых наблюдается явление помпажа: газ, вытекающий из газотурбинного двигателя самолётов, идущая по нефтепроводу сырая нефть, загрязненный песком природный газ в газопроводе, газ и топливо, перегоняемые в автомобильных двигателях. Помпаж влияет на целостность конструкции двигателей самолётов и автомобилей, на их КПД и на стабильность работы, представляет угрозу для жизни людей. Помпаж проявляется в виде хлопков, сильной вибрации, отдельных периодических толчков, в результате чего возможно разрушение нагнетателя

Слайд 4

История вопроса Одним из первых в нашей стране в начале 1930-х годов обратил внимание на наиболее сложную проблему развития авиации – теорию устойчивости полёта - Всеволод Симонович Ведров . В.С.Ведров - советский учёный в области теории движения летательных аппаратов, автоматического регулирования и динамики летательных аппаратов. Он первым исследовал явление помпажа в реактивных двигателях. В 1938 году он опубликовал книгу «Динамическая устойчивость самолёта».

Слайд 5

При переливании сока, молока или воды из бутылки струя жидкости начинает прерываться, а в бутылку проникают воздушные пузыри, при этом жидкость в бутылке начинает совершать колебания (автоколебания) . Автоколебания –незатухающие колебания, которые возникают за счёт имеющейся способности колебательной системы самой регулировать поступление энергии от постоянного источника. Наблюдение помпажа в домашних условиях

Слайд 6

Проблемный вопрос Почему, когда жидкость выливается из бутылки, то возникают воздушные пузыри и жидкость вытекает прерывисто, а из медицинской грелки жидкость выливается ровным непрерывным потоком без «бульканья»?

Слайд 7

исследовать процесс возникновения помпажа , происходящий при вытекании жидкости из сосуда, и выявить закономерности этого процесса. Цель Задачи - изучить теорию явления помпажа ; - экспериментально выяснить зависит ли период колебаний жидкости в сосуде от факторов, влияющих на вытекание жидкости: диаметра сливного отверстия сосуда; температуры жидкости; рода жидкости; жесткости стенок сосуда; Подобрать оптимальные условия, при которых помпаж менее вероятен.

Слайд 8

Объект исследования – вытекающая из сосуда жидкость. Предмет исследования – факторы, влияющие на период автоколебаний вытекающей из бутылки жидкости. Практическое значение исследования полученные результаты, могут быть использованы как дополнительный материал на уроках физики; в качестве учебной демонстрации при изучении автоколебаний; для постановки лабораторной работы физического практикума. В работе использованы методы: теоретические – сравнительный анализ, причинно-следственный анализ; практические – эксперимент, обработка экспериментальных данных и построение графиков, фото- и видеосъёмка процессов и обработка видео.

Слайд 9

Бутылка, из которой вытекает жидкость – простейшая модель помпажного устройства, она является автоколебательной системой. При вытекании жидкости из бутылки, в ней периодически возникают воздушные пузыри. Измерялось время, за которое определенное количество пузырьков воздуха попадет в бутылку – t , с. Подсчитывалось количество пузырьков, проникающих в бутылку - N . Вычислялся период появления пузырьков – T = t/N , с. Изменяя условия эксперимента, выявлялась зависимость периода от внешних факторов.

Слайд 10

Изменение диаметра отверстий

Слайд 11

Вывод: сначала при увеличении диаметра увеличивался и период колебаний, но до определённого момента (до диаметра 12 мм). При дальнейшем увеличении диаметра период начал уменьшаться. Это можно объяснить тем, что широкое отверстие оказывает меньше сопротивления вытеканию жидкости, то есть вода вытекает быстрее. Зависимость периода появления пузырьков от диаметра отверстия, из которого истекает жидкость

Слайд 12

Зависимость периода появления пузырьков от температуры жидкости С ростом температуры вытекающей жидкости почти линейно увеличивается и период автоколебаний в системе, то есть воздушные пузырьки реже прорываются в сосуд с водой и их количество уменьшается. Жидкость при этом вытекает свободнее и быстрее, так как с ростом температуры у неё уменьшается вязкость.

Слайд 13

Зависимость периода появления пузырьков (периода автоколебаний) от объёма сосуда Вывод : зависимость периода автоколебаний от объема сосуда существует, но она не ярко выражена: чем больше объем сосуда, тем больше период колебаний.

Слайд 14

Зависимость периода появления пузырьков от рода жидкости Вывод : период автоколебаний у разных жидкостей разный. Но различается он у испытуемых жидкостей только на сотые, а то и тысячные доли секунды, и составляет примерно 0,2с для выбранных нами жидкостей. Однако заметна тенденция (линия тренда) к повышению периода автоколебаний с увеличением вязкости жидкости. Линия тренда

Слайд 15

Зависимость проявления помпажа от жёсткости стенок сосуда Ответ на проблемный вопрос : резиновые стенки медицинской грелки имеют особенность менять форму и объём самой грелки, они прогибаются внутрь и тем самым не давая возрастать разнице давлений снаружи и внутри грелки, поэтому струя жидкости вытекает из неё равномерно, без помпажа. Вид сосуда Объём, л Результат эксперимента Пластиковая бутылка 1л Струя периодически прерывается. Возникают воздушные пузыри. Плотный бумажный пакет 1л Струя вначале ровная, без помпажа. И только в конце эксперимента возникает прерывистость. Стенки пакета немного сжимаются по мере вытекания воды. Резиновая медицинская грелка 1л Струя ровная, без прерываний. Стенки грелки сильно и заметно сжимаются по мере вытекания воды.

Слайд 16

Оптимальная модель Вид жидкости Объём, л Температура, 0 С Диаметр, мм Время, с N (количество пузырьков) Период автоколебаний, с Молоко 1,5 74 12 60 155 0,39 Действительно, из всех наших экспериментов, мы получили самый большой период автоколебаний Т = 0,39 с, тогда как во всех предыдущих опытах период получался примерно от 0,17 до 0,27 с. Следовательно, подобрав определенные параметры системы, можно управлять периодом автоколебаний и заставить явление помпажа наступать реже.

Слайд 17

Проведены эксперименты, в которых мы наблюдали нарушение динамической устойчивости вытекающей из сосуда жидкости. Измеряемой в работе величиной стал период автоколебаний в системе – период появления воздушных пузырей, проникающих в сосуд с жидкостью. Найдены зависимости периода возникающих автоколебаний от диаметра сливного отверстия, температуры вытекающей жидкости, объёма и рода жидкости, а также от жёсткости стенок сосуда. Зная эти зависимости, можно подобрать такие условия работы компрессора в двигателях, при которых момент наступления помпажа будет маловероятным. Заключение

Слайд 18

1. Перышкин А.В. , Гутник Е.М. «Физика» учебник для 9 класса. М.: Дрофа, 2014. 2. http://www.ngpedia.ru/id626160p2.html Большая энциклопедия нефти и газа. Явление помпажа . 3. http://fb.ru/article/288074/ Что такое помпаж и способы устранения проблемы 4. https://studopedia.ru/15_128469_istechenie-zhidkostey.html Истечение жидкостей 5. http://www.turbinist.ru/31-pompazh-nagnetatelja.html Помпаж нагнетателя 6. http://www.turbocom.com.ua/ru/turbo-wiki/pompazh-turbiny Помпаж турбины 7. http://www.novedu.ru/sprav/vis-h2o.htm Кинематическая и динамическая вязкость воды Источники информации