Thí nghiệm thuỷ khí kỹ thuật 2013

HỌC VIỆN KỸ THUẬT QUÂN SỰ BỘ MÔN NHIỆT THUỶ KHÍ − KHOA CƠ KHÍ

NGUYỄN TRỌNG HIẾU, NGUYỄN MẠNH HÙNG

THÍ NGHIỆM THUỶ KHÍ KỸ THUẬT

HÀ NỘI − 2013

3

MỤC LỤC

Trang Mục lục ................................................................................................................ 3 Lời nói đầu ............................................................................................................ 5 Bài 1. Xác định chế độ chảy của chất lỏng

trong ống tiết diện tròn......................................................................7 Bài 2. Xác định các thành phần

trong phương trình bernoulli...........................................................11 Bài 3. Xác định tổn thất thủy lực dọc đường...................................................16 Bài 4. Xác định tổn thất thủy lực cục bộ .........................................................23

Bài 5. Xây dựng biểu đồ vận tốc và xác định lưu lượng của dòng khí trong ống tròn………………....................................28

Bài 6. Xác định cột áp thủy tĩnh và cột áp thủy động của dòng khí trong ống tròn tiết diện nhỏ dần..............................33

Bài 7. Xác định lực tác dụng của dòng khí lên thành ống ống tròn tiết diện nhỏ dần.......................................38

Hướng dẫn trình bày báo cáo thí nghiệm........................................................43

Phụ lục.............................................................................................................. 44

Tài liệu tham khảo ........................................................................................ 49

4

5

LỜI NÓI ĐẦU

Để chung sống với thiên nhiên và phục vụ cho cuộc sống con người từ lâu đã biết vận dụng các quy luật thuỷ khí. Cùng với sự phát triển của khoa học kỹ thuật các quy luật thuỷ khí đã và đang được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực của các ngành kỹ thuật khác nhau. Hiện nay, việc ứng dụng có hiệu quả các quy luật thuỷ khí đã làm cho các trang thiết bị hoạt động nhanh hơn, chính xác hơn và tiết kiệm hơn.

Tại Học viện KTQS các kiến thức cơ bản về thuỷ khí kỹ thuật được trang bị ở một số môn học cơ sở ngành như Thuỷ lực và máy thuỷ lực, Thuỷ lực đại cương và Khí động học cho các đối tượng đào tạo đại học khác nhau. Việc đưa các bài thí nghiệm thực hành với các môn học thủy khí kỹ thuật không chỉ giúp sinh viên củng cố các kiến thức lý thuyết đã được tiếp thu qua các bài giảng mà còn giúp cho các sinh viên làm quen với những kỹ năng thực hành đo lường các đại lượng liên quan đến kỹ thuật thủy khí, rèn luyện khả năng độc lập tư duy dựa trên cơ sở các kiến thức lý thuyết để đánh giá các kết quả thực nghiệm thu được.

Ngày nay, vấn đề nâng cao chất lượng dạy và học ở bậc đại học đang rất được quan tâm, trong đó việc nâng cao tỷ trọng phần thí nghiệm thực hành càng được coi trọng vì ý nghĩa thiết thực của nó. Nhằm hướng tới mục tiêu đó nhóm tác giả đưa vào 07 bài thí nghiệm đặc trưng cho các phần kiến thức cơ bản nhất của môn học Thủy khí kỹ thuật trong cuốn sách “Thí nghiệm thủy khí kỹ thuật” dựa trên chương trình đào tạo tại Học viện KTQS và khả năng hiện có của các phòng thí nghiệm của bộ môn Nhiệt Thủy Khí. Với những trang thiết bị hiện có của Bộ môn sẽ giúp cho sinh viên, học viên làm quen với phương pháp đo các đại lượng thủy khí và các thiết bị đo hiện đại, đồng thời là cơ sở cho các thực nghiệm khoa học về sau của sinh viên, học viên.

Chúng tôi chân thành cảm ơn PGS-TS Nguyễn Văn Quế và TS Vũ Văn Chiên đã cho các ý kiến phản biện, cũng như các đồng nghiệp đã góp ý xây dựng để tài liệu phục vụ tốt nhất cho công tác đào tạo tại Học viện KTQS.

6

7

Bài 1 XÁC ĐỊNH CHẾ ĐỘ CHẢY CỦA CHẤT LỎNG

TRONG ỐNG TIẾT DIỆN TRÒN

Mục đích: Bằng thí nghiệm minh họa các chế độ chảy của chất lỏng và tính toán số Reynolds (Re)

CƠ SỞ LÝ THUYẾT

Tổn thất năng lượng của dòng có liên quan mật thiết với trạng thái chảy của chất lưu.

Năm 1883, nhà vật lý học người Anh Osborne Reynolds đã thực hiện nhiều thí nghiệm làm với các loại đường ống và các loại chất lưu khác nhau đã phát hiện ra sự tồn tại hai chế độ chảy:

- Chế độ chảy trong đó các phân tố chất lưu chuyển động thành từng lớp riêng rẽ, không xáo trộn lẫn nhau gọi là chế độ chảy tầng.

- Chế độ chảy trong đó các phân tố chất lưu chuyển động hỗn loạn, xáo trộn vào nhau gọi là chế độ chảy rối.

Trạng thái dòng chảy được xác định qua một tổ hợp không thứ nguyên - gọi là số Reynolds (số Re):

Re = νvd ,

trong đó: v − vận tốc trung bình dòng chảy, m/s; d − đường kính ống trụ tròn, m; ν − độ nhớt động học chất lỏng, m2/s.

Số Reynolds tới hạn Reth được dùng làm tiêu chuẩn phân định trạng thái chảy của dòng chất lỏng. Khi dòng chảy có Re < Reth thì trạng thái của nó là chảy tầng và khi dòng chảy có Re > Reth thì trạng thái của nó là chảy rối. Đối với dòng chảy đầy trong ống tròn thẳng: Reth = 2300.

MÔ TẢ THIẾT BỊ THÍ NGHIỆM

Thiết bị thí nghiệm được biểu diễn trên hình vẽ 1. Nước được cấp qua van cấp vào bình điều tiết A và sẽ chảy qua ống thí nghiệm Reynolds 3 (ống thủy tinh trong suốt để dễ dàng quan sát trạng thái chảy) sang bình điều tiết B. Ở các bình

8

điều tiết A và B mực nước được duy trì ổn định. Nước màu được đổ vào bình chứa 1. Khóa 2 được dùng để điều chỉnh lưu lượng nước màu chảy từ bình chứa 1 qua ống 3. Dùng van 4 điều chỉnh vận tốc dòng chảy qua ống 3 để có các trạng thái chảy khác nhau trong ống thí nghiệm Reynolds 3 và trên lưu lượng kế 5 sẽ hiển thị giá trị lưu lượng tương ứng với từng trạng thái chảy.

TRÌNH TỰ THÍ NGHIỆM

1. Nghiên cứu cơ sở lý thuyết về các trạng thái chảy của dòng chất lỏng có áp chảy ổn định trong ống trụ tròn.

2. Làm quen với thiết bị thí nghiệm và thiết bị đo. 3. Mở van cấp để cấp nước cho các bình điều tiết A và B dưới sự hướng dẫn

của giáo viên hướng dẫn thí nghiệm thực hành và đợi đến khi các bình được cung cấp đủ nước để có thể tiến hành thí nghiệm. Trong thời gian chờ đợi thì pha nước màu và đổ vào bình chứa nước màu 1.

4. Dùng nhiệt kế đo nhiệt độ của nước để xác định hệ số nhớt động học ν tương ứng.

5. Mở khóa 2 và điều chỉnh lưu lượng nước màu đủ quan sát (nếu dòng nước màu to, dòng nước màu sẽ bị lắng xuống, khó thực hiện thí nghiệm).

Hình 1. Sơ đồ thí nghiệm Reynolds A, B. Các bình chứa nước; 1. Bình nước màu; 2. Khóa bình nước màu;

3. Ống thí nghiệm Reynolds; 4. Van điều chỉnh lưu lượng; 5. Lưu lượng kế.

1

A B 3

4

2

5

9

6. Mở van 4 để điều chỉnh vận tốc dòng chảy qua ống 3 từ bé đến lớn sao cho dòng chảy ở trạng thái chảy tầng, chảy quá độ và chảy rối; rồi điều chỉnh vận tốc dòng chảy qua ống 3 từ vận tốc lớn về bé, tức là điều chỉnh trạng thái dòng chảy về quá độ và về chảy tầng (hình vẽ 2). Ghi lại giá trị lưu lượng trên lưu lượng kế 5 tương ứng với từng trạng thái chảy mà ta quan sát được.

7. Tiến hành thí nghiệm với ba đến năm chu kỳ tăng và giảm vận tốc qua ống 3.

XỬ LÝ KẾT QUẢ THÍ NGHIỆM

Kết quả thí nghiệm cần phải trình bày vào trong bảng 1. 1. Trạng thái dòng chảy (khi quan sát), các số liệu lưu lượng Qi và nhiệt độ

của nước t được ghi lại vào các cột [2], [3] và [5] tương ứng trong bảng 1. 2. Ứng với mỗi giá trị lưu lượng Qi đo được ở cột [3] trong bảng 1 ta tính

được vận tốc trung bình vi của dòng chảy theo công thức:

2ii

i dQ4

SQv

π== ,

trong đó d − đường kính tiết diện mặt cắt của ống 3. Ghi các giá trị tính được vào cột [6] của bảng 1. 3. Độ nhớt động học của nước ν được tính từ giá trị nhiệt độ của nước (mà

ta đo được ở cột [5] trong bảng 1) theo bảng 2 hoặc theo công thức Poise:

/s][mt.000221,0t.0337,01

10.775,1 22

6

++=ν

−

,

trong đó t − nhiệt độ của nước, 0C. Giá trị tính được ν cần điền vào cột [6] của bảng 1. 4. Tính số Re ứng với từng vận tốc vi rồi ghi lại vào cột [7] của bảng 1.

a) Chảy tầng

c) Chảy rối b) Giai đoạn quá độ

Hình 2. Hình ảnh dòng nước màu trong các trạng thái chảy

10

5. Từ các giá trị Re thu được ta ghi trạng thái dòng chảy tương ứng với nó vào cột [8].

Bảng 1. Kết quả thí nghiệm Reynolds

TT Trạng thái chảy

(quan sát) Q

(m3/s) v

(m/s) t

(oC) ν

(m2/s) ν=

d.vRe Trạng thái chảy

(theo kết quả tính)

[1] [2] [3] [4] [5] [6] [7] [8]

1 Chảy tầng

2 Chảy quá độ

3 Chảy rối

4 Chảy quá độ

5 Chảy tầng

6 Chảy quá độ

7 Chảy rối

8 Chảy quá độ

9 Chảy tầng

Bảng 2. Độ nhớt động học của nước

t (oC) 0o 10o 20o 30o 40o 50o 60o 80o 100o

n.107 (m2/s) 17,92 13,06 10,06 8,05 6,59 5,56 4,8 3,7 2,95

NHẬN XÉT, ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ THÍ NGHIỆM

So sánh trạng thái dòng chảy theo kết quả tính toán được (ở cột [8]) với trạng thái chảy mà ta quan sát khi làm thí nghiệm (ở cột [2]) rồi đưa ra nhận xét, đánh giá. Nếu không có sự phù hợp thì chỉ rõ các nguyên nhân có thể có.

11

Bài 2 XÁC ĐỊNH CÁC THÀNH PHẦN

TRONG PHƯƠNG TRÌNH BERNOULLI

Mục đích: Vẽ đường năng và đường đo áp sau khi xác định các thành phần trong phương trình Bernoulli bằng thí nghiệm.


Phương trình Bernoulli là phương trình năng lượng viết cho một đơn vị trọng lượng chất lỏng. Phương trình Bernoulli đối với toàn dòng chất lỏng thực, không nén được, chuyển động ổn định từ mặt cắt 1-1 đến mặt cắt 2-2 (hình vẽ 3) có dạng:

21w

2222

2

2111

1 hg2vpz

g2vpz

−+

α+

γ+=

α+

γ+

trong đó: z1, z2 − năng lượng vị trí của dòng chảy ở tâm mặt cắt ướt 1-1 và 2-2 so với

mặt chuẩn 0-0 bất kỳ được gọi là vị năng đơn vị hay độ cao hình học;

vn

v 2 n

γ2p

2 v 1

0

1

z 1

γ1p

g2v21

1α 21w

h−

Hình 3. Sơ đồ dòng chảy qua đoạn ống có kích thước khác nhau

zn

2

z 2

g2v22

2α

n

γnp

g2v2n

nα

n1wh

−

0

n2wh

−

1

12

γ − trọng lượng riêng của chất lỏng; p1, p2 − áp suất tại tâm mặt cắt 1-1 và 2-2;

γγ21 p,p − áp năng của một đơn vị trọng lượng chất lỏng do áp suất gây ra tại

mặt cắt 1-1 và 2-2, gọi là áp năng đơn vị hay độ cao đo áp;

γ+

γ+ 2

21

1pz,pz − thế năng đơn vị hay cột áp thủy tĩnh tại mặt cắt 1-1 và 2-

2; α1, α2 − hệ số hiệu chỉnh động năng hay hệ số Coriolis tại mặt cắt 1-1 và 2-

2; v1, v2 − vận tốc trung bình tại mặt cắt 1-1 và 2-2;

g2v,

g2v 2

21

21

1 αα − ðộng nóng ðừn vị hay độ cao vận tốc tại mặt cắt 1-1 và 2-2;

21wh −− tổn thất năng lượng đơn vị trong đoạn dòng chảy từ mặt cắt 1-1 đến

2-2.


Thiết bị thí nghiệm được biểu diễn trên hình vẽ 4. Nước được cấp qua van cấp vào bình điều tiết A và sẽ chảy qua ống thí nghiệm Bernoulli 1 sang bình

2

Chảy rối A B

I

1

1

2

2

d1

4

4

3

3

5

5

d1 d2

II III IV V

1

3

Hình 4. Sơ đồ ống thí nghiệm Bernoulli

A, B. Các bình chứa nước; 1. Ống thí nghiệm Bernoulli; 2. Van điều chỉnh lưu lượng; 3. Lưu lượng kế; I, II, III, IV và V. Các ống đo áp.

13

điều tiết B. Ở các bình điều tiết A và B mực nước được duy trì ổn định. Trên ống thí nghiệm Bernoulli 1 có gắn các ống đo áp I, II, III, IV và V tương ứng với 5 mặt cắt đã chọn. Đường kính của ống d1 = 1,5 cm; d2 = 0,8 cm. Dùng van 2 điều chỉnh vận tốc dòng chảy qua ống thí nghiệm Bernoulli 1, trên lưu lượng kế 3 sẽ hiển thị giá trị lưu lượng tương ứng với từng vận tốc của dòng chảy.


1. Nghiên cứu cơ sở lý thuyết về phương trình Bécnuli đối với toàn dòng chất lỏng thực, không nén được, chuyển động ổn định.


của giáo viên hướng dẫn thí nghiệm thực hành và đợi đến khi các bình được cung cấp đủ nước để có thể tiến hành thí nghiệm.

4. Mở van 2 để điều chỉnh vận tốc dòng chảy qua ống thí nghiệm Bernoulli 1. Ghi lại các giá trị lưu lượng Qi trên lưu lượng kế 3 và cao độ của các ống đo

áp I, II, III, IV và V trên các thước đo (tức là giá trị γ

+ iipz ).

5. Tiến hành thí nghiệm với năm giá trị vận tốc khác nhau.


1. Ghi các giá trị lưu lượng Qi hiển thị trên lưu lượng kế 3 vào cột [2] của bảng 3.

2. Ứng với mỗi giá trị lưu lượng Qi đo được nói trên ta tính được vận tốc trung bình vi của dòng chảy tại các mặt cắt tương ứng theo công thức:

2ii

i dQ4

SQv

π== ,

trong đó d − đường kính tiết diện mặt cắt của ống 1. Ghi các giá trị tính được vào cột [3] của bảng 3.

3. Từ các giá trị vi vừa tìm được ta tính các thành phần g2v2

iiα của phương

trình Bernoulli (ở đây, ta lấy αi = 1). Ghi các giá trị g2v2

iiα vào các cột [5], [8],

[12], [16] và [20] tương ứng của bảng 3. 4. Theo cao độ của các ống đo áp I, II, III, IV và V ta xác định được trị số

14

γ+ iipz tại các mặt cắt tương ứng (xem hình vẽ 4) (Nếu chọn mặt chuẩn đi qua

trục của ống thì ta có zi = 0). Ghi các giá trị vừa tìm được vào các cột [4], [7], [11], [15] và [19] tương ứng của bảng 3.

5. Các giá trị tổn thất cột áp ở các cột [9], [13], [17] và [21] trong bảng 3 được tính từ phương trình Bernoulli (Ví dụ cần tính

21wh −ở cột [9] ta sẽ lấy tổng

giá trị cột [7] và cột [8] trừ đi tổng giá trị cột [4] và cột [5]) 6. Từ số liệu ở bảng 3 và sơ đồ ống thí nghiệm Bernoulli (trên hình vẽ 4) vẽ

đường năng và đường đo áp.

Bảng 3. Kết quả thí nghiệm các thành phần trong phương trình Bernoulli

TT Q v1 g2v21

1α γ

+ 11pz v2 g2

v222α

γ+ 2

2pz

21wh

− v3 g2

v233α

(m3/s) (m/s) (m) (m) (m/s) (m) (m) (m) (m/s) (m)

[1] [2] [3] [4] [5] [6] [7] [8] [9] [10] [11]

1

2

3

4

5

TT γ

+ 33pz

32wh

− v4

g2v24

4α γ

+ 44pz

43wh

− v5

g2v25

5α γ

+ 55pz

54wh

−

(m) (m) (m/s) (m) (m) (m) (m/s) (m) (m) (m)

[1] [12] [13] [14] [15] [16] [17] [18] [19] [20] [21]

1

2

3

4

5

15

Ghi chú:

Ø Để kết quả thí nghiệm có độ chính xác cao cần điều chỉnh van 2 sao cho dòng chảy qua ống Bernoulli là dòng chảy rối.

Ø Có thể kết hợp làm đồng thời các bài thí nghiệm 2, 3 và 4.


So sánh tính đúng đắn của các đường năng và đường đo áp vẽ theo kết quả thí nghiệm với lý thuyết.

16

Bài 3 XÁC ĐỊNH TỔN THẤT THỦY LỰC DỌC ĐƯỜNG

Mục đích: Bằng thí nghiệm tính hệ số sức cản dọc đường.


Phương trình Bernoulli đối với toàn dòng chất lỏng thực, không nén được, chuyển động ổn định từ mặt cắt 1-1 đến mặt cắt 2-2 có dạng:

21w

2222

2

2111

1 hg2vpz

g2vpz

−+

α+

γ+=

α+

γ+

trong đó 21wh −là tổn thất thủy lực khi dòng chảy chuyển động từ mặt cắt 1-1 đến

mặt cắt 2-2 (hình vẽ 3). Giá trị

21wh − bao gồm tổn thất thủy lực dọc đường hd và tổn thất thủy lực cục

bộ hc:

cdw hhh21

+=−

.

Tổn thất thủy lực dọc đường hd cho dòng chảy đều trong ống tròn, theo Darcy, có thể được xác định theo công thức sau:

g2v

dh

2

d ⋅λ= (m),

trong đó: − chiều dài đoạn dòng chảy, m; d − đường kính ống, m; v − vận tốc trung bình của dòng chảy, m/s; g − gia tốc trọng trường, m/s2; λ − hệ số sức cản dọc đường (hệ số ma sát).

Hệ số ma sát λ phụ thuộc vào trạng thái dòng chảy của chất lỏng (tức số Re) và đặc trưng hình học của ống dẫn, cụ thể là độ nhám tương đối của thành

ống nhám của ống d

*Δ (với *Δ − độ nhô của mặt nhám và d − đường kính trong

của ống). Một cách tổng quát, ta có:

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛ Δ=λ

d,Ref*

.

17

Mối quan hệ ⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛ Δ=λ

d,Ref*

được Moody biểu diễn dưới dạng đồ thị (− đồ

thị Moody, hình vẽ 5) và đồ thị này chỉ đúng cho ống thép tròn.

Phân tích đồ thị Moody, ta có thể chia nó thành 5 khu vực sau: Khu vực 1 - khu vực chảy tầng (Re ≤ 2300).

Hệ số ma sát λ chỉ phụ thuộc vào Re mà không phụ thuộc vào ∗Δ

d (đoạn

thẳng AB trên hình vẽ 5). Khi đó:

Re64(Re)f ==λ .

Khu vực 2 - khu vực quá độ từ chảy tầng sang chảy rối (2300 < Re < 104) Trong khu vực này hệ số ma sát λ có quy luật biến thiên phức tạp (giữa

điểm B và điểm C). Các phương pháp nghiên cứu của các tác giả đã đưa ra các công thức thực nghiệm khác nhau để xác định. Frenken đã đưa ra công thức thực nghiệm sau:

λ = f(Re) =53,0Re7,2 .

Hoặc có thể sử dụng công thức Bladius cho dải Re < 105. Khu vực 3 - khu chảy rối ống trơn thủy lực.

Hệ số ma sát λ chỉ phụ thuộc vào Re mà không phụ thuộc vào ∗Δ

d (Quy

luật biến thiên tương ứng với đoạn thẳng CD trên hình vẽ 5). Một số công thức thực nghiệm:

- Công thức Bladius khi Re ≤ 105:

λ = 25,0Re3164,0 .

- Công thức Cônacốp khi 4000 < Re < 3.106:

[ ]25,1)Relg(.8,11

−=λ .

Khu vực 4 - khu vực chảy rối trước bình phương sức cản, hoặc không hoàn

toàn thành nhám (20∗Δ

d < Re < 500∗Δ

d ).

18

Hìn

h 5.

Đồ

thị M

oody

19

Khu vực giữa đoạn thẳng CD và đoạn thẳng EF trên hình vẽ 5. Trong khu

vực này hệ số ma sát λ phụ thuộc vào Re và phụ thuộc ∗Δ

d , có thể sử dụng công

thức Altsul để tính λ:

λ ≈ 0,1125,0

Re68

d ⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛+

Δ∗ .

Trị số Δ* của các loại ống khác nhau được cho ở phụ lục 3.

Khu vực 5 - khu vực chảy rối thành nhám hoàn toàn, hay khu vực bình

phương sức cản (Re > 500d

∗Δ ). Khu vực nằm bên phải đoạn thẳng EF.

Trong khu vực này hệ số ma sát λ chỉ phụ thuộc ∗Δ

d mà không phụ thuộc

Re. Một số công thức để xác định λ trong miền này:

- Công thức Prandtl - Nicuradse:

2

*d7,3lg.2

1

⎟⎠⎞

⎜⎝⎛

Δ

=λ .

- Công thức Shifrinson (nhận được từ công thức Altsul khi Re → ∞): 25,0

d11,0

*

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛ Δ=λ .


Thiết bị thí nghiệm được biểu diễn trên hình vẽ 6. Nước được cấp qua van cấp vào bình điều tiết A và sẽ chảy qua ống thí nghiệm tổn thất thủy lực dọc đường 1 (đường kính d = 1,5 cm) sang bình điều tiết B. Ở các bình điều tiết A và B mực nước được duy trì ổn định. Trên ống thí nghiệm này có gắn các ống đo áp I và II tương ứng với hai mặt cắt 1-1và 2-2 đã chọn. Khoảng cách giữa hai ống đo áp này là cm.60= Dùng van 2 điều chỉnh vận tốc dòng chảy qua ống thí

20

nghiệm tổn thất thủy lực dọc đường 1, trên lưu lượng kế 3 sẽ hiển thị giá trị lưu lượng tương ứng với từng vận tốc của dòng chảy.


1. Nghiên cứu cơ sở lý thuyết về tổn thất thủy lực dọc đường đối với dòng chảy đều trong ống.



4. Mở van 2 để điều chỉnh vận tốc dòng chảy qua ống thí nghiệm tổn thất thủy lực dọc đường 1 từ bé đến lớn sao cho dòng chảy ở trạng thái chảy tầng rồi chảy rối. Ghi lại các giá trị lưu lượng Qi trên lưu lượng kế 3 và cao độ của các ống đo áp I và II trên các thước đo tương ứng với từng trạng thái chảy.


h2 h1

2

Chảy rối A B

I

2

2 1

1

Dh

II

3

1

Hình 6. Ống thí nghiệm tổn thất thủy lực dọc đường A, B. Các bình chứa nước; 1. Ống thí nghiệm tổn thất thủy lực dọc đường;

2. Van điều chỉnh lưu lượng; 3. Lưu lượng kế; I và II. Các ống đo áp.

21


Kết quả thí nghiệm cần phải trình bày vào trong bảng 4.

Bảng 4. Kết quả thí nghiệm tổn thất thủy lực dọc đường

TT Trạng thái chảy Q

(m3/s) v

(m/s) ν

(m2/s) Re

h1

(m) h2

(m) Dh (m) λTN λLT

[1] [2] [3] [4] [5] [6] [7] [8] [9] [10] [11]

1 Chảy tầng

2 Chảy rối

3 Chảy rối

4 Chảy rối

5 Chảy rối

1. Trạng thái dòng chảy và các số liệu lưu lượng Qi hiển thị trên lưu lượng kế 3 được ghi lại vào các cột [2] và [3] tương ứng trong bảng 4.


2dQ4v

π= .

Ghi các giá trị tính được vào cột [4] của bảng 4. 3. Độ nhớt động học của nước ν được tính từ giá trị nhiệt độ của nước (xem

bài thí nghiệm 1) và được ghi lại vào cột [5] của bảng 4. 4. Tính số Re ứng với từng vận tốc vi rồi ghi lại vào cột [6] của bảng 4. 5. Độ cao h1, h2 của các ống đo áp I và II được điền vào các cột [7] và [8]

tương ứng trong bảng 4. 6. Từ các giá trị ở cột [7] và [8] ta tính độ chênh cột áp Dh = h1 − h2 rồi ghi

lại vào cột [9] của bảng 4. 7. Hệ số sức cản dọc đường (được tính toán từ các kết quả thí nghiệm) λTN

sẽ được tính theo công thức:

2d

TN v.h.d.g.2

=λ

trong đó tổn thất dọc đường hd = Dh. Ghi các giá trị tìm được này vào cột [10] của bảng 4.

22

8. Hệ số sức cản dọc đường lý thuyết λLT được tính theo công thức tương ứng với từng khu vực trong đồ thị Moody (căn cứ vào số Re ở cột [6]). Ghi các giá trị tìm được này vào cột [11] của bảng 4.

9. Từ kết quả ở bảng 4 vẽ đồ thị sự phụ thuộc λ LT = f(Re).


− So sánh các giá trị hệ số sức cản dọc đường tính theo thực nghiệm λTN và tính theo lý thuyết λLT.

− Từ các kết quả so sánh trên nêu nhận xét, đánh giá.

23

Bài 4 XÁC ĐỊNH TỔN THẤT THỦY LỰC CỤC BỘ

Mục đích: Bằng thí nghiệm tính các hệ số tổn thất đột mở và đột thu.


Trong phần tóm tắt lý thuyết của bài thí nghiệm số 3 ta đã nêu là tổn thất thủy lực bao gồm tổn thất thủy lực dọc đường và tổn thất thủy lực cục bộ.

Người ta thường dùng công thức Weisbach để tính tổn thất thủy lực cục bộ:

g2vh2

c ζ= (m),

trong đó: v − vận tốc trung bình mặt cắt ướt, m/s; ζ − hệ số tổn thất cục bộ (thường được xác định bằng thực nghiệm, nó

phụ thuộc vào số Re và các đặc trưng hình học của vật cản); g − gia tốc rơi tự do, m/s2.

Tổn thất năng lượng cục bộ là phần năng lượng tiêu hao xảy ra tập trung tại một tiết diện hay một vùng trên phạm vi hẹp của dòng chảy để khắc phục trở lực cục bộ (chẳng hạn tại van, khóa, chỗ mở rộng hoặc thu hẹp đột ngột, chỗ uốn cong …).

Xét các trường hợp:

a. Tổn thất cột nước cục bộ khi dòng chảy mở rộng đột ngột (đột mở) từ ống nhỏ ra ống to.

v2 v1

S 1

1

1 2

2

Hình 7. Dòng chảy mở rộng đột ngột

S2

24

Tổn thất cục bộ trong trường hợp này là tổn thất đột mở hđm được tính theo

công thức sau:

g2v

g2vh

22

đm

21

đmđm ζʹ′=ζ= ,

trong đó: 2

2

1đm S

S1 ⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛−=ζ ,

2

1

2đm 1

SS

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛−=ζʹ′ .

( đmζ , đmζʹ′ − hệ số tổn thất cục bộ khi dòng đột mở tính theo vận tốc trung bình

mắt cắt trước chỗ mở rộng đột ngột hoặc sau chỗ mở rộng đột ngột).

b. Tổn thất cột nước cục bộ khi dòng chảy đột ngột thu hẹp (đột thu) từ ống to vào ống nhỏ.

Tổn thất cục bộ trong trường hợp này là tổn thất đột thu hđt được tính theo

công thức sau:

g2vh22

đtđt ζ= ,

trong đó:

tđζ − hệ số tổn thất cục bộ khi dòng đột thu: ⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛−=ζ

1

2đt S

S1.5,0 .


Thiết bị thí nghiệm được biểu diễn trên hình vẽ 9. Nước được cấp qua van cấp vào bình điều tiết A chảy qua ống tổn thất thủy lực dọc đường (xem bài thí

v2 v1

S2 1

2

2

Hình 8. Dòng chảy thu hẹp đột ngột S1

1

25

nghiệm 3) rồi chảy qua ống thí nghiệm tổn thất thủy lực cục bộ 1 và chảy qua ống thí nghiệm Bernoulli (xem bài thí nghiệm 2) vào bình điều tiết B. Ở các bình điều tiết A và B mực nước được duy trì ổn định. Trên ống thí nghiệm tổn thất thủy lực cục bộ 1 có gắn các ống đo áp I, II, III và IV (thứ tự theo chiều dòng chảy) tương ứng với các mặt cắt đã chọn. Đường kính của ống cm5,1dd 41 == ;

cm6,2dd 32 == . Dùng van 2 điều chỉnh vận tốc dòng chảy qua ống thí nghiệm tổn thất thủy lực cục bộ 1, trên lưu lượng kế 3 sẽ hiển thị giá trị lưu lượng tương ứng với từng vận tốc của dòng chảy.

TRÌNH TỰ THÍ NGHIỆM 1. Nghiên cứu cơ sở lý thuyết về tổn thất thủy lực cục bộ của dòng chảy. 2. Làm quen với thiết bị thí nghiệm và thiết bị đo. 3. Mở van cấp để cấp nước cho các bình điều tiết A và B dưới sự hướng dẫn


4. Dùng nhiệt kế đo nhiệt độ của nước để xác định hệ số nhớt động học ν tương ứng.

2

CHẢY RỐI

A B

I

3

II III IV

d2 d3 d1 d4

1

Hình 9. Ống thí nghiệm tổn thất thủy lực cục bộ A, B. Các bình chứa nước; 1. Ống thí nghiệm tổn thất thủy lực cục bộ;

2. Van điều chỉnh lưu lượng; 3. Lưu lượng kế; I, II, III và IV. Các ống đo áp.

26

5. Mở van 2 để điều chỉnh vận tốc dòng chảy qua ống thí nghiệm tổn thất thủy lực cục bộ 1. Ghi lại các giá trị lưu lượng Qi trên lưu lượng kế 3 và cao độ của các ống đo áp I, II, III và IV trên các thước đo.




Bảng 5. Kết quả thí nghiệm tổn thất thủy lực cục bộ

TT Q

(m3/s) h3

(m) h4

(m) h5

(m) h6

(m) v1 = v4 (m/s)

v2 = v3 (m/s)

hđm

(m)

TNđmζ

(m)

LTđmζ

(m) hđ t

(m)

TNđtζ

(m)

LTđtζ

(m) [1] [2] [3] [4] [5] [6] [7] [8] [9] [10] [11] [12] [13] [14]

1

2

3

4

5

1. Ghi các giá trị lưu lượng Qi hiển thị trên lưu lượng kế 3 vào cột [2] của bảng 5.


21

1 dQ4v

π= , 2

22 d

Q4vπ

= .

Ghi các giá trị tính được vào cột [7] và [8] của bảng 3. 3. Giá trị các cao độ của các ống đo áp I, II, III và IV được ghi lại vào các

cột [3], [4], [5] và [6] tương ứng với từng vận tốc dòng chảy. 4. Giá trị tổn thất cục bộ trong trường hợp đột mở hđm cần điền vào cột [9]

được tính theo công thức sau:

( )g2vvhh

g2vh

g2vhh

22

21

21

22

2

21

1đm−

+−=⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛+−+= .

(Chú ý khi làm thí nghiệm cần điều chỉnh van 2 sao cho dòng chảy qua ống thí nghiệm tổn thất thủy lực cục bộ là dòng chảy rối để hệ số hiệu chỉnh động năng

1=α ).

27

5. Hệ số tổn thất cục bộ trong trường hợp đột mở mà ta thu được theo thí nghiệm TN

đmζ được tính theo công thức sau:

21

đmTNđm v

h.g2=ζ .

Ghi các giá trị tìm được này vào cột [10] của bảng 5. 6. Tính theo lý thuyết hệ số tổn thất cục bộ trong trường hợp đột mở LT

đmζ theo công thức sau:

22

2

1

2

2

1LTđm d

d1SS1

⎥⎥⎦

⎤

⎢⎢⎣

⎡⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛−=⎟⎟

⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛−=ζ .

Các giá trị tìm được này cần điền vào cột [11] của bảng 5. 7. Giá trị tổn thất cục bộ trong trường hợp đột thu hđt cần điền vào cột [12]

được tính theo công thức sau:

( )g2vvhh

g2vh

g2vhh

24

23

43

24

4

23

3đt−

+−=⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛+−+= .

8. Hệ số tổn thất cục bộ trong trường hợp đột thu mà ta thu được theo thí nghiệm TN

đmζ được tính theo công thức sau:

24

đtTNđt v

h.g2=ζ .

Ghi các giá trị tìm được này vào cột [13] của bảng 5. 9. Tính theo lý thuyết hệ số tổn thất cục bộ trong trường hợp đột thu LT

đtζ theo công thức sau:

⎥⎥⎦

⎤

⎢⎢⎣

⎡⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛−=⎟⎟

⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛−=ζ

2

3

4

3

4LTđt d

d1.5,0SS

1.5,0 .

Các giá trị tìm được này cần điền vào cột [14] của bảng 5.


− So sánh các cặp giá trị tổn thất thủy lực thu được theo thí nghiệm và tính theo lý thuyết trong trường hợp đột mở và đột thu, tức là ta cần so sánh: giá trị TNđmζ (ở cột [10]) với giá trị LT

đtζ (ở cột [11]) ; giá trị TNđtζ (ở cột [13]) với giá trị

LTđtζ (ở cột [14]).

− Từ các kết quả so sánh trên nêu nhận xét, đánh giá.

28

29

Bài 5 XÂY DỰNG BIỂU ĐỒ VẬN TỐC

VÀ XÁC ĐỊNH LƯU LƯỢNG CỦA DÒNG KHÍ TRONG ỐNG TRÒN

Mục đích: Bằng thực nghiệm đo vận tốc của dòng theo các điểm dọc theo

đường hướng tâm của mặt cắt tiết diện dòng khí trong ống tròn và tính lưu lượng của dòng.


Trong cơ chất lưu trạng thái chảy của chất lưu có thể chia thành 2 chế độ chính:

- Chế độ chảy tầng. - Chế độ chảy rối.

Chế độ chảy tầng là chế độ chảy theo lớp của chất lưu và không tạo xung vận tốc và áp suất.

Khi chất lưu chảy tầng trong ống thẳng, thì đường dòng của các phần tử chất lưu có hướng song song với trục của ống và không có chuyển động ngang theo tiết diện của ống.

Chế độ chảy rối là chế độ chảy trong đó các phần tử chất lưu không chuyển động phân lớp và tồn tại xung vận tốc và áp suất.

Ở chế độ chảy rối các phần tử chất lưu có thể chuyển động dọc trục, chuyển động theo mặt cắt ngang và chuyển động quay.

Ngoài ra còn có thể có chế độ chảy quá độ. Đó là chế độ chảy chuyển tiếp giữa chảy tầng và chảy rối.

Để xác định chế độ chảy dùng tiêu chuẩn Reynolds (Re). Đối với ống tròn tiêu chuẩn Reynolds được xác định theo công thức:

Re = νdv

.

Đối với dòng có tiết diện khác hình tròn, thì số Reynolds được xác định:

ReD = νDv ;

trong đó: v − vận tốc trung bình của chất lưu, m/s;

30

D − đường kính thủy lực, m; ν − độ nhớt động học, m2/s.

Để xác định trạng thái chảy cần tiến hành so sánh số Reynolds: - Nếu Re < Reth thì trạng thái dòng chảy là chảy tầng. - Nếu Re > Reth thì trạng thái dòng chảy là chảy rối.

Thực nghiệm cho thấy đối với ống tròn Reth ≈ 2300, như vậy chất lưu chảy tầng khi Re < 2300.

Đối với chế độ chảy tầng, vận tốc sẽ biến thiên theo quy luật parabol với vận tốc cực đại đạt được ở trục của dòng (khi r = 0). Vận tốc cục bộ có thể xác định qua vận tốc cực đại:

u = umax(1 - 20

2

rr ).

Vận tốc trung bình: v = 0,5 umax.

Lưu lượng của dòng được xác định từ công thức tính lưu lượng cho dòng chất lỏng phân tố dQ = udS, trong đó diện tích phân tố dS được xác định như hình vành khuyên có bán kính r và độ dày dr.

Đối với dòng chảy rối, phân bố vận tốc trong dòng có dạng logarit, việc nghiên cứu lý thuyết dòng chảy rối thường rất phức tạp và luôn phải kết hợp với thực nghiệm để hiệu chỉnh tăng độ chính xác bằng các hằng số thực nghiệm.

Quy luật phân bố vận tốc trong lõi chảy rối.

0

0maxrrrln1

vuu −

χ−=

−

∗

,

trong đó: ν - độ nhớt động lực học, m2/s;

∗v , χ - các hằng số thực nghiệm. Vận tốc được phân bố theo quy luật hàm lôgarit và vận tốc cực đại được

xác định ở tâm dòng. Quy luật phân bố vận tốc phụ thuộc vào chế độ chảy rối của dòng, bản chất và trạng thái của chất lưu, với một số chế độ chảy còn phụ thuộc vào trạng thái của vách ống.

Vận tốc trung bình: v = (0,75 ÷0,90)umax.

Vận tốc trung bình phụ thuộc vào số Re, khi tăng số Re thì vận tốc trung bình càng gần với giá trị umax. Ví dụ như khi Re = 2700, thì v = 0,75umax, còn khi

31

Re = 108, thì v = 0,90umax. Lưu lượng Q của dòng được xác định theo công thức:

Q = ∫SudS (m3/s).


Trên hình vẽ 10 biểu diễn sơ đồ hệ thống thí nghiệm. Không khí được hút từ ngoài môi trường vào trong đường ống 5 nhờ quạt gió 1. Để giảm tính không ổn định dòng, dập tắt các xoáy có xu hướng ảnh hưởng đến kết quả thí nghiệm, trên đường ống 5 ở phía trước bộ đo vận tốc, có đặt bộ ổn định dòng 2. Bộ đo vận tốc bao gồm ống Pitot 3 và cơ cấu dịch chuyển ống Pitot 4. Khi dịch chuyển ống Pitot 3 sẽ xác định được vận tốc dòng tại các điểm qua độ chênh áp suất tĩnh và áp suất động. Độ chênh áp được xác định bằng cảm biến độ chênh áp điện và tín hiệu đo được đưa đến máy tính xử lý tính toán kết hợp với đặc tính của ống Pitot đang sử dụng sẽ cho ra vận tốc tại các điểm đo.


Hình 10. Sơ đồ thí nghiệm xác định biểu đồ vận tốc và lưu lượng dòng khí 1. Quạt gió; 2. Bộ ổn định dòng; 3. Ống Pitot; 4. Cơ cấu dịch chuyển ống Pitot; 5. Ống dẫn.

1

2 3 4 5

32

1. Nghiên cứu cơ sở lý thuyết về các chế độ chảy có áp ổn định của dòng chất lưu trong ống tròn.

2. Làm quen với thiết bị thí nghiệm, các thiết bị đo. 3. Bật máy dưới sự hướng dẫn của giáo viên hướng dẫn thí nghiệm thực

hành và để ổn định trạng thái nhiệt trong khoảng 5 phút. 4. Để ống Pitot ở vị trí cao nhất, sau đó dịch chuyển cho đến tâm ống. Kết

quả đo ở từng vị trí được ghi lại vào bảng dữ liệu. Thực hiện theo trình tự ngược lại và lấy kết quả trung bình giữa hai lần đo.

5. Kết quả nhận được sẽ được dùng để dựng đồ thị biến thiên vận tốc và tính lưu lượng của dòng.

XỬ LÝ KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM

Kết quả thí nghiệm cần phải trình bày vào trong bảng 6. 1. Xác định khối lượng riêng ρ của khí trong ống theo phương trình trạng

thái:

ρ = RTp , (kg/m3),

trong đó: p - áp suất tuyệt đối trong dòng khí, Pa; T - nhiệt độ tuyệt đối của dòng khí, K;

R- hằng số chất khí của không khí,K.kgJ287R = .

2. Vận tốc khí tại các điểm đo (xem hình vẽ 11) trong ống được xác định theo công thức:

( )ρΔ

=ρ−

=∗ p2pp2u i

i (m/s),

trong đó: ∗ip - áp suất dòng hãm, Pa;

p - áp suất tĩnh, Pa; Δp - độ chênh áp, Pa.

3. Vẽ biểu đồ phân bố vận tốc ui. 4. Tính lưu lượng khí đi qua tiết diện khảo sát theo công thức:

Q = ( )∑−

=π+Δπ

1n

1i

2nriiii ruurr2

n.

33

(Sử dụng các giá trị ở bảng 6 để tính toán theo công thức trên). 5. Tính toán vận tốc trung bình tại tiết diện khảo sát.

v = SQ

.

6. Xác định vị trí đặt ống Pitot để đo vận tốc trung bình cho toàn tiết diện.

Bảng 6. Bảng kết quả thí nghiệm

Thứ tự điểm đo

Bán kính điểm đo ri (m)

Khoảng cách giữa hai điểm đo liên tiếp Δri (m)

Độ chênh áp Δp (Pa)

Vận tốc tại điểm đo ui (m/s)

[1] [2] [3] [4] [5] 1 2

……. n-1 n


− So sánh biểu đồ phân bố vận tốc ui được vẽ từ kết quả thí nghiệm với biểu đồ phân bố vận tốc được vẽ từ các công thức lý thuyết .

− Từ hai biểu đồ trên nêu nhận xét, đánh giá.

Hình 11. Sơ đồ đo vận tốc điểm trên tiết diện khảo sát

R

rn rn-1

r1 r2 r3

34

Bài 6 XÁC ĐỊNH CỘT ÁP THỦY TĨNH VÀ CỘT ÁP THỦY ĐỘNG CỦA DÒNG KHÍ TRONG ỐNG TRÒN TIẾT DIỆN NHỎ DẦN

Mục đích: Bằng thực nghiệm đo áp suất tĩnh của dòng theo các điểm dọc

chiều lưu động của dòng khí trong ống tròn tiết diện nhỏ dần và tính toán cột áp thủy động của dòng có tiết diện nhỏ dần.


Phương trình Bernoulli cho toàn dòng chất lỏng thực chuyển động dừng

z1 + gp1ρ

+ α1g2v21 = z2 +

gp2ρ

+ α2g2v22 + ∑hw.

Hình 12. Đồ thị biểu diễn phương trình Bernoulli cho dòng chất lỏng thực chuyển động dừng

Trong công thức trên:

z1, z2 - độ cao hình học;

γ1p ,

γ2p - độ cao đo áp;

h1 = z1 + γ1p , h2 = z2 +

γ2p - cột áp thủy tĩnh;

N N

0 0

N1

N1

z1

z2

p2 γ

1

hw

1

2

2

p1 γ

g2v21

1α

g2v22

2α

35

g2v21 ,

g2v22 - độ cao vận tốc (độ cao lưu tốc).

Cột áp thủy động h0 tại các mặt cắt dọc theo dòng chất lưu lý tưởng không nén được chuyển động dừng là đại lượng không đổi:

h0 = ht + g2v2 = z +

γp +

g2v2 = const.

Đường đo áp - đường biểu diễn thế năng của dòng chảy (Biểu diễn cột áp thủy tĩnh ht).

Đường năng là đường biểu diễn năng lượng đơn vị của dòng chảy (Biểu diễn cột áp thủy động h0).

Đối với dòng chất lỏng thực phương trình Bernoulli là phương trình cân bằng về năng lượng có tính đến các tổn thất.

Độ giảm năng lượng đơn vị toàn phần tính cho một đơn vị chiều dài dòng chảy được gọi là độ nghiêng thủy động.

Độ giảm thế năng đơn vị của dòng tính cho một đơn vị chiều dài của dòng được gọi là độ nghiêng cột áp.


Sơ đồ hệ thống thí nghiệm được biểu diễn trên hình vẽ 13. Không khí được hút từ ngoài môi trường vào trong đường ống bằng quạt

gió. Để giảm tính không ổn định dòng, dập tắt các xoáy có xu hướng ảnh hưởng đến kết quả thử nghiệm ở phía trước bộ đo vận tốc có đặt bộ ổn định dòng. Vận tốc dòng được đo bằng các Pitot 2 và 5. Khi đặt ống Pitot 2 vào vị trí xác định sẽ xác định được vận tốc trung bình của dòng trong ống dẫn trước khi đi vào đoạn ống nhỏ dần. Biến thiên áp suất dọc theo ống nhỏ dần được xác định bằng các cảm biến áp suất 6. Tín hiệu đo được đưa qua bộ chuyển đổi tín hiệu 7 và được đưa đến máy tính 8 hiển thị kết quả đo. Để xác định trạng thái khí trước khi vào ống nhỏ dần người ta lắp cảm biến đo nhiệt độ khí 3.


1. Nghiên cứu cơ sở lý thuyết về các chế độ chảy có áp ổn định của dòng chất lưu trong ống tròn.


hành và để ổn định trạng thái nhiệt trong khoảng 5 phút.

36

4. Để ống Pitot 2 ở vị trí phù hợp với chế độ chảy để xác định vận tốc trung bình của dòng khí, qua đó xác định lưu lượng khí đi đến ống.

5. Kết quả đo ở từng vị trí được ghi lại vào bảng 7. 6. Dựng đồ thị biến thiên áp suất thủy tĩnh và độ cao lưu tốc. 7. Xác định vận tốc thực và tính lưu lượng của dòng ở miệng ra của ống

nhỏ dần.



Hình 13. Sơ đồ thí nghiệm xác định biểu đồ vận tốc và lưu lượng dòng khí 1. Ống dẫn khí; 2, 5. Các ống Pitot đo vân tốc dòng; 3. Cảm biến đo nhiệt độ khí;

4. Ống nhỏ dần; 6. Các cảm biến đo áp suất; 7. Bộ chuyển đổi tín hiệu; 8. Máy tính.

304

270

236

201

166

346

150

2 1 3

4 5

6

7

8

37

1. Xác định khối lượng riêng ρ của khí trong ống theo phương trình trạng thái:

ρ = RTp , (kg/m3),

trong đó: p - áp suất tuyệt đối trong dòng khí, Pa; T - nhiệt độ tuyệt đối của dòng khí, K;

R- hằng số chất khí của không khí, K.kgJ287R = .

2. Vận tốc trung bình của dòng khí trước ống nhỏ dần được xác định theo công thức:

( )ρΔ

=ρ−

=∗ p2pp2 0

iv (m/s),

trong đó: ∗0p - áp suất dòng hãm, Pa;


3. Theo vận tốc trung bình xác định lưu lượng khí trong ống. Q = vS.

4. Ghi số liệu áp suất thủy tĩnh tại các điểm đo vào cột [2] của bảng 7.


Thứ tự điểm đo

Áp suất p (Pa)

Bán kính điểm đo ri (mm)

Diện tích mặt cắt (m2)

Vận tốc tại điểm đo vi (m/s)

[1] [2] [3] [4] [5]

1

2

3

4

5

38

5. Tính diện tích mặt cắt:

Si = 2πRihi = π ( )2i2i hr − (m2),

trong đó: Ri - bán kính mặt cong, m; ri - bán kính đáy chỏm cầu (bán kính điểm đo), m; hi - độ cao chỏm cầu, m.

6. Tính vận tốc lưu động của khí tại các điểm đo áp suất tĩnh khi giả thiết ρ = const từ phương trình liên tục Q = viSi = const. Kết quả nhận được ghi vào cột [5] của bảng.

7. Vẽ biểu đồ phân bố cột áp tĩnh và cột áp thủy động dọc theo ống nhỏ dần.

8. So sánh với vận tốc tính toán đầu ra trong điều kiện lý tưởng và dãn nở đoạn nhiệt:

v = 21

k1k

a

21 v

pp1RT

1kk2 +

⎥⎥⎥

⎦

⎤

⎢⎢⎢

⎣

⎡

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛−

−

−

.


− Đánh giá kết quả so sánh vận tốc đầu ra tính được từ các số liệu thu được trong thí nghiệm với giá trị tính toán trong điều kiện lý tưởng và dãn nở đoạn nhiệt.

− Từ đánh giá trên nêu nhận xét.

39

Bài 7 XÁC ĐỊNH LỰC TÁC ĐỘNG CỦA DÒNG KHÍ

LÊN THÀNH ỐNG TRÒN TIẾT DIỆN NHỎ DẦN

Mục đích: Bằng thực nghiệm đo vận tốc và trạng thái của dòng khí khi đi vào và đi ra khỏi ống tròn tiết diện nhỏ dần và tính toán lực tác động của dòng lên thành đoạn ống có tiết diện nhỏ dần.


Giả sử khối vật chất có khối lượng m chuyển động với vận tốc v, thì biến thiên động lượng sau khoảng thời gian dt do tác động lực F sẽ được biểu diễn qua phương trình véctơ:

m d v = F

dt, trong đó:

md v là biến thiên động lượng do xung F

dt. Phương trình động lượng được ứng dụng để xác định các lực của dòng chất

lưu tác dụng của lên vách hay mặt chắn. Định lý Euler: Khi chất lưu chuyển động ổn định véctơ cân bằng các lực tác động

lên chất lưu trong một thể tích xác định sẽ bằng hiệu số động lượng của chất lưu đi ra khỏi thể tích khảo sát với động lượng chất lưu đi vào thể tích đó trong một đơn vị thời gian.

Xét một đoạn dòng giới hạn bởi các tiết diện 1-1 và 2- 2 có lưu lượng Q và chảy ở chế độ ổn định (hình vẽ 14).

Hình 14. Ứng dụng phương trình động lượng cho chất lưu

p2S2

1

1

1'

1'

2'

2'

2

2

v2

v1 p1S1 b1ρQv1

p1S1

p2S2 b2ρQv2

R

G

40

Sau khoảng thời gian dt dòng chất lỏng sẽ có biến thiên động lượng: ρQ( 2v -

1v )dt.

Biến thiên động lượng sẽ bằng xung lượng của tất cả các lực tác dụng lên thể tích chất lỏng giữa các tiết diện 1-1 và 2-2, các lực bao gồm: áp lực ở tiết diện vào p1S1 và tiết diện ra p2S2, lực trọng trường G của toàn bộ thể tích, phản lực R của thành và lực ma sát trên thành ống T. Ký hiệu véctơ hợp lực là F

, khi đó:

( ) FvvQ 1122

=β−βρ .

Khi bỏ qua lực ma sát T, phương trình khai triển có dạng:

β1ρQ 1v - β2ρQ 2v

+ R

+ 11Sp + 22Sp + G

= 0,

và trên cơ sở đó dựng đa giác véctơ (hình vẽ 14). Phương trình trên có thể viết ở dạng hình chiếu lên các trục tọa độ. Các hệ số

điều chỉnh động lượng β phụ thuộc vào chế độ chảy của dòng: - Chế độ chảy tầng ổn định: β = 1,33. - Chế độ chảy rối ổn định: β = 1,01 ÷ 1,05.


Trên hình vẽ 15 biểu diễn sơ đồ hệ thống thí nghiệm. Không khí được dẫn vào đoạn ống nhỏ dần theo đường ống 1. Vận tốc dòng

trước ống nhỏ dần được đo bằng các Pitot 2. Khi đặt ống Pitot 2 vào vị trí xác định sẽ xác định được vận tốc trung bình của dòng trong ống dẫn trước khi đi vào đoạn ống nhỏ dần. Trạng thái của khí trước khi vào đoạn ống nhỏ dần được xác định bằng các cảm biến áp suất 6 và cảm biến nhiệt độ 3. Tín hiệu đo được đưa qua bộ chuyển đổi tín hiệu 7 và được đưa đến máy tính 8 hiển thị kết quả đo. Để xác định trạng thái khí khi ra khỏi đoạn ống nhỏ dần lắp đặt cảm biến đo nhiệt độ khí 3 và vận tốc được xác định bởi ống Pitot 5. Do dòng đi ra ngoài môi trường nên áp suất ở miệng ra của ống chính là áp suất khí quyển.


1. Nghiên cứu cơ sở lý thuyết về phương trình động lượng và tương tác của dòng chất lỏng với vách.


hành và để ổn định trạng thái nhiệt trong khoảng 5 phút.

41

4. Để ống Pitot 2 ở vị trí phù hợp với chế độ chảy để xác định vận tốc trung bình của dòng khí, qua đó xác định lưu lượng khí đi đến ống nhỏ dần.

5. Kết quả đo ở từng vị trí được ghi lại vào bảng 8. 6. Xác định vận tốc thực và tính lưu lượng của dòng ở miệng ra của ống

nhỏ dần.

XỬ LÝ KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM


Hình 15. Sơ đồ thí nghiệm xác định biểu đồ vận tốc và lưu lượng dòng khí 1. Ống dẫn khí; 2, 5. Các ống Pitot đo vận tốc dòng; 3. Các cảm biến đo nhiệt độ khí;

4. Ống nhỏ dần; 6. Cảm biến đo áp suất; 7. Bộ chuyển đổi tín hiệu; 8. Máy tính.

346

150

2 1 3

4 5

3

7

6 8

42


Áp suất đầu vào

Nhiệt độ đầu vào

Áp suất MTXQ

Khối lượng riêng khí

khi vào ống

Độ chênh áp ở ống Pitot 2

Vận tốc dòng khi vào ống

(Pa) (OC) (Pa) (kg/m3) (Pa) (m/s) [1] [2] [3] [4] [5] [6]

Nhiệt độ đầu ra

Khối lượng riêng khí

khi ra khỏi ống

Độ chênh áp ở ống Pitot 5

Lưu lượng khối lượng

Vận tốc dòng khi ra khỏi ống

Vận tốc ra khỏi ống trong điều kiện lý

tưởng

(OC) (kg/m3) (Pa) (kg/s) (m/s) (m/s) [7] [8] [9] [10] [11] [12]

1. Xác định khối lượng riêng ρ của khí trong ống theo phương trình trạng thái:

ρ = RTp (kg/m3),

trong đó: p - áp suất tuyệt đối trong dòng khí, Pa; T- nhiệt độ tuyệt đối của dòng khí, K;

R- hằng số chất khí của không khí, K.kgJ287R = .

2. Vận tốc trung bình của dòng khí trước ống nhỏ dần được xác định theo công thức:

v1 = ( )ρ

−∗ pp2 1 = ρΔp2 (m/s),

trong đó: ∗1p - áp suất dòng hãm, Pa

43


3. Theo vận tốc trung bình xác định lưu lượng khối lượng của dòng khí trong ống:

Qm = ρvS = ρQ 4. Chọn hệ trục tọa độ với trục 0x trùng với trục của ống. Khi đó phương

trình động lượng viết cho các thành phần được chiếu theo trục 0x sẽ chỉ còn các lực mặt:

β1ρQv1 - β2ρQv2 + Rx + p1S1 - paS2 = 0. Từ đó ta tìm được giá trị lực mà chất khí tác dụng lên thành ống (nó có giá trị bằng Rx nhưng cùng phương, ngược chiều):

Rx = β2ρQv2 - β1ρQv1 - p1S1 + paS2 5. So sánh lực tác động trong trường hợp khí lý tưởng dãn nở đoạn nhiệt

trong ống nhỏ dần:

v2 = 21

k1k

a

21 v

pp1RT

1kk2 +

⎥⎥⎥

⎦

⎤

⎢⎢⎢

⎣

⎡

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛−

−

−

.


− Đánh giá kết quả so sánh lực tác dụng của chất khí lên thành ống tính được từ các số liệu thu được trong thí nghiệm với lực tác dụng trong trường hợp khí lý tưởng, dãn nở đoạn nhiệt.

− Từ đánh giá trên nêu nhận xét.

44

HƯỚNG DẪN TRÌNH BÀY BÁO CÁO THÍ NGHIỆM

Học viên, sinh viên phải trình bày kết quả thí nghiệm vào báo cáo thí

nghiệm và nộp cho giáo viên. Báo cáo thí nghiệm được viết trên giấy khổ A4 (có thể viết tay hay đánh

máy), đóng bìa mềm. Tờ bìa được trình bày theo phụ lục 5. Trong báo cáo cần thể hiện các nội dung theo thứ tự sau:

− Phần I: Tóm tắt lý thuyết. − Phần II: Tính toán các giá trị. (Trình bày rõ cách tính từng giá trị và thể hiện bằng số liệu cụ thể theo yêu

cầu của từng bài thí nghiệm). − Phần III: Bảng ghi số liệu thí nghiệm và kết quả tính toán. (Các cột trong từng bảng thí nghiệm phải được ghi đầy đủ theo yêu cầu của

từng bài thí nghiệm ) − Phần IV: Nêu nhận xét và đánh giá.

Chú ý: Mỗi bài thí nghiệm được trình bày bắt đầu bằng một trang giấy mới.

45

PHỤ LỤC

Phụ lục 1. Độ nhớt động học của nước ngọt

trong khoảng nhiệt độ từ 0OC đến 100OC

t,OC ν.104, sm2

t,OC ν.104, sm2

t,OC ν.104, sm2

t,OC ν.104, sm2

0 0,0179 7 0,0143 25 0,0090 60 0,0048 1 0,0173 10 0,0131 30 0,0080 70 0,0042 2 0,0167 12 0,0124 35 0,0072 80 0,0037 3 0,0162 15 0,0114 40 0,0065 90 0,0033 4 0,0157 17 0,0109 45 0,0060 100 0,0029 5 0,0152 20 0,0101 50 0,0055

Phụ lục 2.

Độ nhớt động học ν .106 (m2/s) của một số khí ở áp suất p = 0,1MPa

Khí Nhiệt độ, OC

0 20 40 60 80 100 150

Amoniac 12,0 14,0 16,0 18,1 20,3 22,7 29,3

Argon 11,9 13,3 - - - 20,7 -

Axêtylen 8,23 9,35 10,6 11,9 13,2 14,7 -

Cacbonnic 7,00 8,02 9,05 10,3 12,1 12,8 -

Clo 3,80 4,36 5,02 5,66 6,36 7,15 9,10

Etylen 7,50 8,66 9,73 10,9 12,1 13,4 17,3

Heli 10,4 11,7 13,1 14,5 16,0 17,5 -

Hơi nước 11,1 12,9 14,8 16,9 18,7 21,5 -

Hydro 93,5 105 117 130 143 156 195

Không khí 13,2 15,0 17,0 18,8 20,9 23,0 30,0

Mêtan 14,2 16,5 18,4 20,1 22,9 25,4 31,8

Nitơ 13,3 15,0 16,8 18,8 20,6 22,3 28,3

Ôxy 13,4 15,4 17,1 19,0 21,2 23,4 -

Propan 3,70 4,26 4,90 5,52 6,18 6,76 8,70

46

Phụ lục 3. Giá trị Δ* của một số ống

Dạng ống Trạng thái ống Δ*

Ống thủy tinh và kim loại màu Mới, nhẵn

0,001 0,010,005÷

Ống thép không hàn Mới, sạch

0,002 0,050,03÷

Sau một vài năm sử dụng 0,15 0,3

0,2÷

Ống thép hàn

Mới, sạch 0,03 0,1

0,05÷

Có ăn mòn không đáng kể sau khi làm sạch

0,1 0,20,15÷

Bị rỉ 0,3 0,7

0,5÷

Cũ, rỉ 0,8 1,51,0÷

Bám rỉ nhiều 2,0 4,0

3,0÷

Ống thép tráng kẽm Mới sạch

0,1 0,20,15÷

Sau một vài năm sử dụng 0,4 0,7

0,5÷

Ống gang

Tráng atfan 180300120

,,, ÷

Mới 0,2 0,5

0,3÷

Đã qua sử dụng 0,5 1,51,0÷

Ống cao su 0,03

47

Phụ lục 4. Hệ số tổn thất cục bộ khi dòng vào ống

a. Trường hợp ống thẳng góc với vách (hình vẽ 1. PL) Khi Re > 104, thì ζc = 0,5.

b. Trường hợp ống thẳng góc với vách và mép biên lượn tròn bán kính Ro (hình vẽ 2. PL)

Ro/d 0,01 0,02 0,03 0,04 0,05 0,06 0,08 0,10 0,12 0,16 ζc 0,43 0,36 0,31 0,26 0,22 0,20 0,15 0,10 0,09 0,06

c. Trường hợp ống thẳng góc với vách và mép biên côn (hình vẽ 3. PL)

θ l/d

0,025 0,050 0,075 0,10 0,15 0,25 0,50 0,60 10 0,47 0,44 0,42 0,38 - 0,36 0,28 - 20 0,44 0,39 0,34 0,31 - 0,26 0,18 - 30 0,43 0,36 0,30 0,25 0,20 0,20 0,13 0,13 40 0,41 0,32 0,26 0,21 - 0,16 0,10 - 60 0,40 0,30 0,23 0,18 0,25 0,15 0,14 0,12 90 0,45 0,42 0,39 0,25 0,23 0,35 0,33 0,21 120 0,43 0,38 0,35 0,33 0,31 - - 0,29

d. Trường hợp ống dẫn đặt sâu vào trong bình một đoạn (hình vẽ 4. PL)

δ/d l/d (với Re > 104)

0 0,002 0,005 0,010 0,050 0,10 0,50 0,008 0,50 0,53 0,55 0,58 0,68 0,74 0,88 0,024 0,50 0,50 0,50 0,51 0,53 0,58 0,68 0,050 0,50 0,50 0,50 0,50 0,50 0,50 0,50

Hình 1. PL

v

d

v

Ro

d

Hình 2. PL

Hình 3. PL

v l

θ d

Hình 4. PL

v

d

δ

l

48

49

Phụ lục 5. Mẫu tờ bìa báo cáo thí nghiệm

HỌC VIỆN KỸ THUẬT QUÂN SỰ BỘ MÔN NHIỆT THỦY KHÍ

BÁO CÁO THÍ NGHIỆM KỸ THUẬT THỦY KHÍ

(Nếu chỉ thực hiện các bài thí nghiệm thủy lực đại cương thì ghi

BÁO CÁO THÍ NGHIỆM THỦY LỰC ĐẠI CƯƠNG)

Họ và tên Nhóm trưởng:………………………………… (Họ và tên các thành viên của nhóm)…………………… …………………………………………………………...…………………………………………………..............

Lớp:……………………………………………………...

Hà Nội − 20..

50

TÀI LIỆU THAM KHẢO 1. Nguyễn Trọng Hiếu. Thủy khí kỹ thuật, máy và hệ thống thủy lực khí

nén trên tàu quân sự. Nhà xuất bản Quân đội nhân dân. 2011. 2. Nguyễn Xuân Huy, Phạm Ngọc Hùng. Thủy lực, máy và truyền dẫn thủy

khí. Học viện KTQS. Hà nội. 1998. 3. Nguyễn Hữu Trí. Bài giảng thủy khí kỹ thuật. Khoa đại học tại chức, Đại

học Bách khoa Hà nội. 1998. 4. Bruce R. Munson, Donald F. Young, Theodore H. Okiishi.

Fundamentals of fluid mechanics. − Wiley Asia Student Edition. 5th edition. − 2003.

5. Ãốọðàõởốờà, óốọðợỡàứốớỷ ố óốọðợùðốõợọỷ: ểữồỏớốờ ọởÿ ỡàứốớợủũðợốũồởỹớỷừ õúỗợõ. ề. è. Áàứũà, ẹ. ẹ. éúọớồõ, Á. Á. Íồờðàủợõ ố ọð. − 2-ồ ốỗọ., ùồðồðàỏ. − è.: èàứốớợủũðợồớốồ. − 1982.

6. ậợộửÿớủờốộ ậ.Ã. èồừàớốờà ổốọốờợủũố ố óàỗà. − Äðợụà. − 2003. 7. ẹùðàõợữớợồ ùợủợỏốồ ùợ óốọðàõởốờồ, óốọðợỡàứốớàỡ ố

óốọðợùðốõợọàỡ/[ò. è. Âốởỹớồð, ò. ề. ấợõàởồõ, Á. Á. Íồờðàủợõ ố ọð.]; ẽợọ ợỏự. ðồọ. Á. Á. Íồờðàủợõà. − 2-ồ ốỗọ., ùồðồ-ðàỏ. ố ọợù. − èớ.: Âỷứ. ứờ. − 1985.

8. ễðồớờồởỹ Í.ầ. Ãốọðàõởốờà. − Ãợủýớồðóốỗọàũ. − è.- ậ. − 1956.

Education

Thí nghiệm thuỷ khí kỹ thuật 2013