(TIỂU LUẬN) báo cáo THỰC HÀNH cơ lưu CHẤT

Đại lượng V 2 /2g được gọi là độ cao động học và được đo bằng ống Pitot là ống có mặt cắt vuông góc với dòng chảy.. So với ống có tiết diện đặt song song với dòng chảy, mực chất lỏng tro

NHÂN TÀI CHO PHÁT TRIỂN

BÁO CÁO THỰC HÀNH

CƠ LƯU CHẤT

GVHD: PhD Vũ Minh Hùng

Sinh viên : Nguyễn Thị Thùy Trang Lớp : K7-LHD

Bà Rịa - 2020

January 7, 2020 [ CƠ LƯU CHẤT ]

Bài thực hành 1

NGHIÊN CỨU ĐỊNH LUẬT BERNOULLI

Xét dòng chảy trong một ống có hai tiết diện mặt cắt khác nhau, từ định luật bảo toàn năng lượng, ta có phương trình Bernoulli:

P1

+ V1 + Z = P2 +V2 +Z

2

γ 2 g 1 γ 2 g

Trong thiết bị này, Z 1 =Z 2 và P=γh, γ=ρgh, γ=ρgγh, γ=ρg=ρgg

γ là độ cao của cột nước tương ứng áp suất thành ống

Như vậy, đại lượng:

tại điểm khảo sát, được đo bằng một ống có mặt cắt song song với dòng chảy Cách bố trí này đảm bảo V=0

Đại lượng V 2 /2g được gọi là độ cao động học và được đo bằng ống Pitot là ống

có mặt cắt vuông góc với dòng chảy So với ống có tiết diện đặt song song với dòng chảy, mực chất lỏng trong ống Pitot sẽ cao hơn một lượng đúng bằng độ

cao động học (độ cao tốc độ): V 2 /2g=Δh.

Từ đó ta có thể tính được vận tốc:

V= √ 2gΔhh

Trong lý thuyết trên, chúng ta coi chất lỏng là lý tưởng Trên thực tế, các phân

tử nước ma sát với nhau và với thành bình, dẫn đến một phần năng lượng bị hao tổn do chuyển thành nhiệt

Gọi ∆H là áp suất suy giảm giữa hai vị trí mặt cắt, ta có:

∆P=ρggQΔH

với ∆P là độ giảm áp suất và Q là lưu lượng Trong trường hợp này, phương trình Bernoulli trở thành:

P1

2

+Z = P2 +V2

2

II Thao tác với các ống áp kế

1 Đóng các van cấp nước và van khống chế lưu lượng

3 Mở dần van lưu lượng đến khi không còn bọt khí

5 Tháo van non-return hoặc mở van xả để đuổi hết bọt khí

7 Cố định van lưu lượng, ghi lại giá trị

8 Đặt ống Pitot vào vị trí có tiết diện nhỏ nhất và chờ đến khi độ cao cột

nước ổn định

9 Khi độ cao cột nước ổn định, xác định giá trị V 2 /2g, chính là chênh lệch

độ cao giữa hai ống áp kế: áp suất tĩnh h i và áp suất tổng h p (ống Pitot)

10.Xác định tiết diện bởi phương trình S=Q/V, trong đó Q là lưu lượng.

11.Lặp lại các thao tác trên với các tiết diện khác nhau

12.Lặp lại thao tác trên với các lưu lượng khác nhau: 3 lần: 5 lít/phút; 7,5 lít/phút và 10 lít/phút

January 7, 2020 [ CƠ LƯU CHẤT ]

III. Thực hành xác định tiết diện ống 1 Điền số liệu vào các bảng

Bảng 1:

=8.33x10-5(m3/s)

=1.25x10-4(m3/s)

=1.42x10-4(m3/s)

Bảng 2:

(m/s) V 1 = √ 2 g (h P −h i ) V 2 = √ 2 g (h P −h i ) V 3 = √ 2 g (h P −h i )

(m)

Bảng 3:

(mm2) S 1 =Q 1 /V 1 S 2 =Q 2 /V 2 S 1 =Q 3 /V 3 <S>

(m)

2 Nguyên nhân của sự khác nhau giữa S 1 , S 2 và S 3 ?

*Nguyên nhân khách quan: Do sự tổn thất một phần năng lượng trong ống(do ma sát diễn ra trong ống) dẫn đến sự sụt giảm áp bên trong ống và chiều cao mực chất lỏng quan sát được giữa các lần thí nghiệm có sự chênh lệch

*Nguyên nhân chủ quan: Do người làm thí nghiệm đọc kết quả nhanh trong khi mực nước trong ống chưa ổn định

3 Tại sao áp suất đo được bởi ống Pitot giảm dần dọc theo ống?

Trong lý thuyết, chúng ta coi chất lỏng là lý tưởng Trên thực tế, các phân tử nước ma sát với nhau và với thành bình, dẫn đến một phần năng lượng bị hao tổn do chuyển thành nhiệt Điều này làm cho áp suất đo được bởi ống Pitot giảm dần dọc theo ống

January 7, 2020 [ CƠ LƯU CHẤT ]

Bài thực hành 2

NGHIÊN CỨU TỔN HAO NĂNG LƯỢNG DÒNG CHẢY DO MA SÁT TRONG ỐNG, TẠI CÁC VAN VÀ CÁC ĐOẠN ỐNG KHUỶU

I Lý thuyết:

-Việc phân loại trạng thái chảy tầng và chảy rối của dòng chảy được thể hiện qua số

Reynolds Số Reynolds được xác định bằng công thức:

ρ u du u d u dd

Trong đó: ρg là mật độ chất lỏng [kg/m3], u là vận tốc [m/s], μ là độ nhớt động lực học[kg/

m.s], D là đường kính ống[m].

Độ nhớt động học η và độ nhớt động lực học μ có mối quan hệ:

η=

ρ

Vậy:

η

Giá trị độ nhớt động học của nước tại 20o C là: 10-6 m2 /s

-Dòng chảy trong hai ống như nhau về hình học sẽ là như nhau nếu số Reynolds là như nhau Dòng chảy trong ống có lòng trong gồ ghề sẽ bị tổn hao năng lượng do ma sát, gây ra hiện tượng sụt áp Với dòng chảy tầng, có một tỉ lệ thuận giữa độ suy giảm năng lượng (sụt áp-pressure drop) và vận tốc dòng chảy Với dòng chảy rối, độ suy giảm năng lượng tỉ lệ với

bình phương vận tốc Một trong các công thức quan trọng để xác định hệ số ma sát này là định luật Darcy-Weisbach:

∆ u dh=f (L

) ( u 2

Từ đó ta có hệ số ma sát:

f =∆ u dh(L ) ( u2 )

Ở đây:

h 1: độ cao cột nước ở đầu ống [m]

h 2: độ cao cột nước ở cuối ống [m]

Δhh: độ sụt áp [m].

f: hệ số ma sát [không thứ nguyên].

L: độ dài của ống [m].

D: đường kính trong của ống [m].

u: vận tốc trung bình của chất lỏng [m/s].

g: gia tốc trọng trường [m/s]

-Lưu lượng và vận tốc của chất lỏng liên hệ với nhau bởi:

Q= A u d u du=

π u d.D2

.u

4

với A là tiết diện ống [m2]

- Bên cạnh hiện tượng sụt áp do ma sát, sụt áp cũng diễn ra tại các thiết bị được

gắn trên ống như van (valve), hay tại các điểm chuyển dòng như các đoạn ống khuỷu (elbow),

tee (ống chữ T) và ống mở rộng (abrupt widening) Độ sụt áp trong các trường hợp này thông

thường được xác định bằng thực nghiệm:

∆ u dh=K ( u2

)

2 g

Với K là hệ số tổn thất thực nghiệm không thứ nguyên.

II Phân tích kết quả: Sụt áp do ma sát với thành trong của ống

1 Tính vận tốc dòng chảyutheo phương trình (7) Tính hệ số Reynoldsℜ theo

phương trình (2) và (3) Tính hệ số ma sátf cho các lưu lượng khác nhau theo phương trình (6)

Điền vào bảng sau các giá trị tính được cho TN trên các ống số 2-3-4-5:

Đường kính của ống là D=17mm, chiều dài L=50cm

Kiểu chảy

(l/min) (m3/s) (m/s) (mm H2O)

5

4

January 7, 2020 [ CƠ LƯU CHẤT ]

2

0

2 Thể hiện trên cùng 1 đồ thị các đường Δh phụ thuộc u của 2 cặp TN trên ống

nhám số 2-3, trên ống mịn số 4-5

Đồ thị biểu diễn sự phụ thuộc của Δh vào uh vào u

1000 900 800 700

500

Power (Y-Values)

400 300 200 100 0

*Nhận xét: Từ đồ thị ta thấy độ sụt áp Δh phụ thuộc vào vận tốc của chất

lỏng theo một phương trình bậc 2 Có nghĩa là độ suy giảm năng lượng tỉ lệ với bình phương vận tốc dòng chảy và phù hợp với công thức xác định hệ số

ma sát theo lí thuyết của Darcy-Weisbach:

3 Từ sự phụ thuộc của Δh vào u, xếp loại về kiểu chảy trong các ống, điền vào

bảng trên

Bài thực hành 3

NGHIÊN CỨU ĐỊNH LUẬT REYNOLDS

Số Reynolds R là thông số quan trọng để phân loại tính chất dòng chảy Việc xác định số Reynolds giúp ta xác định vận tốc tới hạn của chất lỏng Vận tốc tới hạn được định nghĩa như là vận tốc mà ở đó dòng chảy chuyển từ dạng dòng chảy tầng sang dạng dòng chảy rối Osborne Reynolds chứng minh rằng có thể tạo hai loại dòng chảy trong một ống dẫn Ông ta cố gắng phân loại dòng chảy trong ống mà không có sự tham gia của kích thước và loại ống bằng một đại lượng không thứ nguyên, đó là số Reynolds

Dòng chảy tầng (Laminar flow regime): Là dòng chảy mà trong đó chất lỏng (khí)

di chuyển thành từng lớp, không có sự hòa trộn và không có các xung động (nghĩa

là thay đổi vận tốc và áp suất nhanh và hỗn độn) Trong điều kiện này, các dòng chảy có màu sẽ vạch thành các đường rõ nét Có một tỉ lệ thuận giữa độ suy giảm năng lượng (sụt áp-pressure drop) và vận tốc dòng chảy Vùng này có số Reynolds nhỏ hơn 2300

Vùng dòng chảy trung gian (Transional flow regime): Là vùng mà không có mối quan hệ rõ rệt giữa độ suy giảm năng lượng (sụt áp) và vận tốc dòng chảy Số Reynolds nằm trong khoảng 2300 đến 4000

Dòng chảy rối (Turbulent flow regime): Dòng chảy tầng chỉ tồn tại đến một giá trị nào đó của số Reynolds, khi vượt quá giá trị này dòng chảy sẽ chuyển sang dòng chảy rối Gía trị tới hạn của số Reynolds phụ thuộc vào từng dạng chảy cụ thể

January 7, 2020 [ CƠ LƯU CHẤT ]

(dòng chảy trong ống tròn, sự chảy bao quanh quả cầu ) Trong trạng thái này, các phần tử chất lỏng chảy theo các quĩ đạo hỗn loạn, đan xen vào nhau Như vậy, không thể tạo các dòng chảy có màu rõ nét Độ suy giảm năng lượng tỉ lệ với bình phương vận tốc Số Reynolds lớn hơn 4000

Số Reynolds được xác định bằng công thức:

R= ρ u d u du u d u dd

μ

Trong đó: ρg là mật độ chất lỏng [kg/m3], u là vận tốc [m/s], μ là độ nhớt động lực học, d là đường kính ống [m] Điều này chứng tỏ số Reynolds là đại lượng biểu thị

độ lớn tương đối giữa ảnh hưởng gây ra bởi lực quán tính và lực ma sát trong (tính nhớt) lên dòng chảy

Độ nhớt động học (kinematic viscosity) v và độ nhớt động lực học (dynamic viscosity) μ có mối quan hệ:

v=

μ ρ

Vậy:

R=

u u d u dd v

Vì độ nhớt phụ thuộc nhiệt độ nên cần xác định nhiệt độ của nước và tra bảng độ nhớt tương ứng

Tham khảo:

- Độ nhớt động học của nước ở 20oC: v=1 centistokes (cSt )=10−6 m2 /s

- Đường kính trong của ống: d=10 mm

II Thực hành phân loại vùng dòng chảy và xác định số Reynolds

1 Đổ khoảng 100 ml nước và 1 ml thuốc đỏ vào bình chứa nước màu

2 Đặt mũi tiêm nước mầu vào tâm của miệng ống quan sát mầu

4 Bơm nước vào bình chứa cho đến khi nước tràn ra, hứng nước tràn bằng

xô nhựa

5 Đóng và mở van điều khiển vài lần để xả nước qua ống quan sát

6 Mở từ từ van kim tiêm nước mầu cho đến khi thu được một dòng chảy mầu nhỏ

7 Điều chỉnh van lưu lượng cho đến khi quan sát thấy đường song song tạo

bởi nước mầu (dòng chảy tầng)

8 Tăng dần lưu lượng để quan sát sự biến đổi dòng chảy

9 Chú ý, trong quá trình cho nước chảy đi qua ống quan sát thì điều chỉnh

van cấp nước vừa đủ để lượng nước tràn không quá lớn

10.Lưu lượng nước được đo bằng số nước chảy vào một bình chia độ trong một thời gian được xác định bằng đồng hồ bấm giây

III Phân tích số liệu

Bảng số liệu:

Vùng chảy quan sát Thể tích nước (ml) Thời gian (s)

được

Bảng kết quả:

x10-6 (m3/s) u=Q/r 2 π

*Vẽ đồ thị lưu lượng vs Số Reynolds.

January 7, 2020 [ CƠ LƯU CHẤT ]

Đồ thị biểu diễn mối quan hệ giữa lưu lượng

và hệ số Reynolds

4500

4000

3500

3000

2500

2000

1500

1000

500

0

Trả lời các câu hỏi:

1 Số Reynolds thay đổi thế nào theo sự tăng lưu lượng?

Từ kết quả thu được ta thấy, khi lưu lượng tăng thì số Reynolds cũng tăng tuyến tính

2 Khoảng giá trị của số Reynolds cho trạng thái chảy chuyển tiếp?

Hệ số Reynolds là đại lượng biểu diễn các dạng dòng chảy trong ống -Khi dòng chảy mà trong đó chất lỏng (khí) di chuyển thành từng lớp, không có sự hòa trộn và không có các xung động( vận tốc nhỏ) Đó được gọi là dòng chảy tầng có hệ số Reynolds nhỏ hơn 2300

-Khi dòng chảy mà chất lỏng bắt đầu có sự hòa trộn, chuyển động hỗn độn( vận tốc lúc này nhanh hơn) Đó được gọi là dòng chảy trung gian có hệ số Reynolds nằm trong khoảng 2300 đến 4000

-Khi dòng chảy trong ống chuyển động quá hỗn loạn, đan xen vào nhau, không thể tạo các dòng chảy có màu rõ nét Đó được gọi là dòng chảy rối có hệ số Reynolds lớn hơn 4000

3 Giá trị này có phù hợp với quan sát của Reynolds?

Kết quả thu được có giá trị hoàn toàn phù hợp với quan sát của Reynolds