Báo cáo mạch lưu chất

TRÍCH YẾU1.1 Mục đích thí nghiệm: Khảo sát sự chảy của nước ở phòng thí nghiệm trong một hệ thống ống dẫn có đường kính khác nhau và có chứa lưu lượng kế màng chắn, venturi cùng các bộ p

1 TRÍCH YẾU

1.1 Mục đích thí nghiệm:

Khảo sát sự chảy của nước ở phòng thí nghiệm trong một hệ thống ống dẫn có đường kính khác nhau và có chứa lưu lượng kế màng chắn, venturi cùng các bộ phận nối ống như cút, van chữ T

 Thí nghiệm 1 : Hệ số lưu lượng kế của màng chắn (Cm) và venturi (Cv) với các độ chảy khác nhau

 Thí nghiệm 2 : Hệ số ma sát f theo chế độ chảy (Re) cho ống 1” và ½”

 Thí nghiệm 3 :Thiết lập giản đồ đặc tuyến van , xác định loại van và phạm vi ứng dụng của van , chiều dài tương đương ( ltđ )

1.2 Phương pháp thí nghiệm

 Thí ngiệm 1 : Cho dòng chảy lưu chất qua thiết bị có gắn lưu lượng kế màng chắn và venturi Đọc tổn thất cột áp ứng với từng lưu lượng dòng chảy và từng lưu lượng kế

 Thí nghiệm 2 : Cho dòng lưu chất chảy qua màng chắn và lần lượt qua ống 1” và ống ½” Chỉnh van để thay đổi lưu lượng dòng chảy, đọc tổn thất cột áp của màng chắn và ống Lặp lại thí nghiệm với chiều dài ống l=0.9m và l=1.5m

 Thí nghiệm 3 : Cho dòng lưu chất chảy qua màng chắn và van Ứng với từng độ mở của van, đọc tổn thất cột áp qua màng và van

1.3 K ết quả thí nghiệm

Thí nghiệm 1:

Lần 1 W(l) t(s) ΔPm(cmH2O)Pm(cmH2O) ΔPm(cmH2O)Pv(cmH2O)

Lần 2 W(l) t(s) ΔPm(cmH2O)Pm(cmH2O) ΔPm(cmH2O)Pv(cmH2O)

Lần 3 W(l) t(s) ΔPm(cmH2O)Pm(cmH2O) ΔPm(cmH2O)Pv(cmH2O)

Thí nghieäm 2:

Ống 1"

Ống 1/2"

Thí nghieäm 3:

P

màng

P van

P màng P van

P màng P van

P

1.4 Nhận xét kết quả thí nghiệm

2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT

2.1 Lưu lượng kế màng chắn và venturi :

Nguyên tắc: đo sự giảm áp suất của lưu chất khi chảy qua dụng cụ để xác định lưu lượng

Vận tốc trung bình ở vị trí (2) được tính từ cơng thức tổng kê năng lượng:

4

2

g P







Trong đó:

C : hệ số của màng chắn và venturi, phụ thuộc vào chế độ chảy (Re)

P

 : Độ giảm áp suất qua màng chắn hay venture, N/m2

: Trọng lượng riêng của lưu chất , N/m3

1

2

d

d



 , tỉ số đường kính cổ venturi hay lỗ màng chắn trên đường kính ống

Do đĩ lưu lượng qua màng chắn hay venturi:

Q= V2A2= V1Á1

2.2 Tổn thất năng lượng do sự chảy trong ống dẫn:

Khi lưu chất chảy trong ống, xảy ra hiện tượng mất năng lượng do ma sát ở thành ống và do trở lực cục bộ tại những vị trí có tiết diện ống thay đổi, thay đổi hướng dòng chảy…

 Tổn thất do ma sát :

Từ phương trình Bernoulli ta cĩ:

0 2

) (

)

















f H Z g

V

g



Vì

g

V

2

)

( 2





=0 và Z=0 => H f g P







Hf: thủy đầu tổn thất ma sát trong ống, m

Tồn thất này liên hệ với thừa số ma sát bằng phương trình Darceyweisbach:

g

V

D

L

f

H f

2

2



f: hệ số ma sát, phụ thuộc vào chế độ chảy (Re) L: chiều dài ống, m

D: đường kính ống, m

Chảy tầng Re < 2300 f =64Re 1

1

1

2

2

v v

v

v

2

2

1

1

Màng chắn Oáng Venturi

Chảy quá độ và chảy rối

Ống thành nhẵn

2 10x Re 10 0,31640,25

Re

f 

2 10x Re 3, 26.10 1 2

(1,8lg Re 1,5)

f 



10 Re 3.10 0, 2210,227

0, 0032

Re

2300 Re 218  d



0,25 100 0,1

Re

f

d



4

10 Re

0,9

2lg 3,7d Re

f

Ống thành nhám

Ngoài ra có thể xác định hệ số ma sát bằng cách sử dụng giản đồ Moody(f theo Re và

D



)

 Tổn thất cục bộ:

Là tổn thất năng lượng do trở lực cục bộ như sự thay đổi tiết diện chảy, hướng chảy bị cản trở bởi van, ống nối, chỗ đột mở hay đột thu

Đối với van hay khúc nối, tổn thất được biểu diễn bởi phương trình :

2 2

td

cb

l v

gD

Le: chiều dài tương đương của van hay khớp nối được định nghĩa là chiều dài của một ống thẳng có cùng sự tổn thất năng lượng với van hay khúc nối trong những điều kiện giống nhau

Trở lực này bằng thế năng riêng tiêêu tốn đđể thắng trở lực do bộ phận ta đđang xét gây ra:

g

v

P cb

2

2







so sánh 2 công thức trên ta có: l td

f D

  từ đó ta có: l td D

f





3 THIẾT BỊ THÍ NGHIỆM

3.1 Dụng cụ & thiết bị :

 Một hệ thống ống dẫn và van có kích thước khác nhau, lắp đặt như trong tài liệu hướng dẫn

 Đồng hồ đo thời gian

Số liệu kích thước 4 ống dẫn bằng đồng:

Đường kính gọi Đường kính ngoài Đường kính trong

1”

¾”

½”

3/8”

(2.54cm) (1.90cm) (1.27cm) (0.951cm)

1.125”

0.875”

0.625”

0.5”

(2.68cm) (2.22cm) (1.59cm) (1.27cm)

1.025”

0.785”

0.545”

0.43”

(2.6cm) (2,0cm) (1.39cm) (1.09cm)

Độ nhám e= 0.000005

Màng chắn: lối vào: 2.6cm đường kính lỗ: 1.59cm

Venture: lối vào: 2.6cm đường kích cổ: 1.59cm

3.2 Ph ương pháp thí nghiệm

Những điều cần tuân thủ trước khi tiến hành thí nghiệm :

- Đóng van số 13 và số 15 trước khi mở hay tắt máy bơm để tránh bọt khí lọt vào hệ thống

- Trong suốt thời gian làm thí nghiệm, van 14 luôn mở, van 4 và 5 luôn đóng

- Chỉ tiến hành thí nghiệm khi mực chất lỏng trong cột áp bằng nhau

1.Thí nghiệm 1: Trắc định lưu lượng kế màng chắn và venturi

- Mở van 16 và 17 cho nước vào bình đến vạch tối đa (48l)

- Mở van 1, 2, 3, 9 và đóng van 12

- Cho bơm chạy và từ từ, mở van 13 sau đó khoá lại và kiểm tra mức nước trong cột áp kế màng và venturi có bằng nhau chưa Nếu các cột chất lỏng bằng nhau trong từng nhánh (của màng và venturi) chúng ta tiến hành làm thí nghiệm Còn nếu chưa bằng nhau thì tiếp tục mở, đóng van 13

- Khi mức chất lỏng trong cột áp của màng chắn hay venturi đã bằng nhau, ta tiến hành làm thí nghiệm

- Ta chọn lưu lượng trước tùy ý Từ từ mở van 15 Ứng với mỗi độ mở van 15 với lưu lượng đã chọn ta đọc cột áp của venturi, màng chắn và thời gian Khi hết nước trong bình chứa phải đóng van 15 lại, mở van 13 và mở van 16 cho nước vào bình chứa Lập lại thí nghiệm này từ 2 đến 3 lần

Chú ý: Các van V1, V2, …, V10; V1’, V2’, …, V10’ và Vk1, Vk2, …, Vk5 dùng để điều chỉnh khi mức nước trong các cột áp kế bị mất hoàn toàn

2.Thí nghiệm 2: Thiết lập giản đồ f theo Re cho ống 1” và ½”

a Cho ống 1”

Ta giữ nguyên độ mở của các van trong thí nghiệm 1 mở van VA2, đóng van VB1 Kiểm tra mức nước trong cột áp kế ống 1” Nếu mức nước bằng nhau thì ta tiến hành thí nghiệm Dùng van 13 để chỉnh lưu lượng (giống chỉnh van 15 trong thí nghiệm 1) Ứng với mỗi độ mở của van 13 ta đọc độ giảm áp của màng chắn và ống 1” ở độ dài l

= 0.9m Van 13 chỉnh đến độ mở tối đa Đo xong cho đoạn 0.9m ta khoá van VA2 và mở

VB1, tiếp tục đo độ giảm áp cho đoạn ống 1” với l = 1.5 m

b Cho ống ½”

Ta mở van 12, đóng van số 2 Mở van VA2”, đóng van VA3” Tương tự như đo trên ống 1”, ta kiểm tra mức nước trong cột áp kế của ống ½” Nếu bằng nhau ta tiến hành

đo Nếu không bằng nhau ta dùng van 13 để chỉnh mức chất lỏng (đóng rồi mở van 13) Khi nào mức chất lỏng trong cột áp bằng nhau rồi tiến hành đo Đo xong đoạn 0.9m, ta khoá VA2” và VA3” rồi tiến hành đo đoạn l = 1.5m

3 Thí nghiệm 3:

Sau khi tiến hành thí nghiệm xong trên ống ½”, mở van số 2 và đóng van số 12 để tiến hành thí nghiệm 3

Ta đóng van VB1 Van số 9 vẫn để mở hoàn toàn Dùng van 13 để chỉnh lưu lượng giống thí nghiệm 2 Ứng với mỗi độ mở của van 13 ta đọc độ giảm áp của màng và van

Xong thí nghiệm với độ mở hoàn toàn ta đóng van số 9 lại 1 vòng ½ sẽ được độ mở

¾, rồi tiếp tục đo như trên Khi nào mở hết cỡ van 13, lúc đó độ giảm áp của màng và van không thay đổi, nghĩa là đo độ mở ¾ đã xong Tiếp tục khoá van số 9 thêm 1 vòng

½ nữa ta sẽ được độ mở ¼ rồi tiếp tục đo

Như vậy ta đã thí nghiệm xong với 4 độ mở khác nhau của van số 9 : mở hoàn toàn, mở ¾, mở ½ và độ mở ¼

Trở lực theo độ mở của van cho trong bảng sau :

Vì ta không kiểm nghiệm được hệ số ma sát f theo từng độ mở van của thí nghiệm

3 nên khi tính ltđ ta sử dụng kết quả của thí nghiệm 2 cho ống 1” với chiều dài 1.5m

5 TÍNH TOÁN KẾT QUẢ THÍNGHIỆM:

5.1 K ết quả tính tốn

Bảng 4: Hệ số lưu lượng kế màng chắn và venturi:

STT W t tb Q (m 3 /s) v (m/s) P v /g

(mH 2 O)

P m /g

Bảng 5: Thừa số ma sát trong ống dẫn đường kính 1”_ dài 0,9m

Ống 1" (l = 0,9 m)

 Thừa số ma sát trong ống dẫn đường kính 1”_ dài 1,5m

Ống 1" (l = 1,5 m)

 Thừa số ma sát trong ống dẫn đường kính 1/2”_ dài 0,9m

Ống 1/2" (l = 0,9 m)

 Thừa số ma sát trong ống dẫn đường kính 1/2”_ dài 1,5m

Ống 1/2" (l = 1,5 m)

Bảng 6: chiều dài tương đương của van:

Độ mở P

0,03 0,002 9,44E-05 0,178 0,00161 0,07062 5753,589 0,0003 0,067 0,002 0,000144 0,272 0,00376 0,06494 8790,465 0,0003 0,265 0,003 0,000298 0,561 0,01603 0,05625 18155,97 0,0004 0,453 0,003 0,000395 0,744 0,02823 0,05319 24090,69 0,0004

Mở hồn

tồn 0,57 0,004 0,000446 0,84 0,03597 0,05192 27194,52 0,0004

0,633 0,005 0,000471 0,888 0,04018 0,05136 28740,73 0,0004 0,665 0,005 0,000484 0,911 0,04233 0,05109 29498,22 0,0004 0,585 0,004 0,000452 0,852 0,03697 0,05178 27569,7 0,0004 0,703 0,005 0,000498 0,938 0,04488 0,0508 30375,7 0,0004 0,713 0,005 0,000502 0,945 0,04556 0,05072 30602,87 0,0004 0,03 0,001 9,44E-05 0,178 0,00161 0,07062 5753,589 0,001 0,185 0,004 0,000246 0,464 0,01097 0,0584 15020,71 0,0012 0,382 0,007 0,000361 0,68 0,02358 0,05414 22018,91 0,0012 0,52 0,011 0,000425 0,8 0,03265 0,05242 25908,91 0,0013

Mở 3/4 0,61 0,012 0,000462 0,871 0,03864 0,05156 28185,05 0,0013

0,655 0,011 0,00048 0,904 0,04165 0,05118 29263,39 0,0013 0,685 0,013 0,000491 0,926 0,04367 0,05094 29962,92 0,0013 0,698 0,011 0,000496 0,935 0,04454 0,05084 30261,55 0,0013 0,703 0,012 0,000498 0,938 0,04488 0,0508 30375,7 0,0013 0,715 0,01 0,000503 0,947 0,04569 0,05071 30648,12 0,0013 0,052 0,008 0,000126 0,238 0,00288 0,06668 7690,404 0,008 0,128 0,057 0,000203 0,382 0,00744 0,06069 12368,32 0,0088 0,225 0,03 0,000273 0,515 0,01349 0,05722 16654,58 0,0094 0,533 0,275 0,000431 0,811 0,03351 0,05229 26248,59 0,0102

Mở 1/2 0,605 0,083 0,00046 0,867 0,03831 0,0516 28062,95 0,0104

0,65 0,083 0,000478 0,9 0,04132 0,05122 29145,34 0,0105 0,67 0,097 0,000486 0,915 0,04266 0,05105 29615,01 0,0105 0,688 0,09 0,000493 0,928 0,04387 0,05091 30032,07 0,0105 0,695 0,09 0,000495 0,933 0,04434 0,05086 30192,87 0,0105 0,705 0,073 0,000499 0,94 0,04502 0,05078 30421,26 0,0105 0,02 0,035 7,62E-05 0,144 0,00105 0,07368 4645,695 0,06 0,22 0,31 0,00027 0,508 0,01318 0,05735 16458,31 0,0771 0,288 0,405 0,000311 0,586 0,01751 0,05576 18970,86 0,0793 0,43 0,6 0,000384 0,724 0,02672 0,05348 23437,54 0,0827

Mở 1/4 0,503 0,7 0,000418 0,786 0,03153 0,05261 25458,6 0,084

0,538 0,745 0,000433 0,815 0,03385 0,05224 26378,19 0,0846 0,555 0,78 0,00044 0,828 0,03498 0,05207 26814,64 0,0849 0,57 0,79 0,000446 0,84 0,03597 0,05192 27194,52 0,0851 0,578 0,803 0,000449 0,846 0,03651 0,05185 27395,19 0,0852 0,59 0,815 0,000454 0,856 0,03731 0,05174 27693,75 0,0854

5.2 Đồ thị

Giản đồ thể hiện mối quan hệ của lưu lượng Q đối với hiệu số thủy đầu áp suất P g m



 và Pv g qua màng chắn và ống venturi

Giản đồ thể hiện mối quan hệ hệ số lưu lượng kế Cm và Cv theo Re

Thừa số ma sát f theo Re ở ống 1’’

Thừa số ma sát f theo Re ở ống 0.5’’

Lưu lượng Q theo áp suất ở 1 vài độ mở của van

Đặc tuyến riêng và đặc tuyến van gắn vào mạng ống này

Từ đồ thị lưu lượng Q theo độ mở của van ta tìm được các lưu lượng.

Tính Q/Q max ta có bảng số liệu sau ( với ΔP = 5cmH2O)

0,25 0,00009 0,01643 0,0056

6 BÀN LUẬN

1 Giản đồ biểu diễn lưu lương Q đối với hiệu số thủy dầu áp suất qua màng chắn và Venturi :

Độ chênh cột áp tăng theo lũy thừa 2 đối với lưu lượng p=K1Q

Ứng với một giá trị Q, Pm > Pv thì tổn thất năng lượng qua màng lớn hơn qua venturi

2 Giản đồ biểu diễn hệ số lưu lượng kế Cm, Cv theo Re :

Hệ số lưu lượng kế không thay đổi đối với một loại lưu lượng kế nhất định, không phụ thuộc vào chế độ dòng chảy trong khu vực

Trong thực tế, hệ số Cm, Cv dao động quanh một giá trị nhất định Cm=0,5 Cv=0,8 Hệ số Cm, Cv dao động do dòng chảy không ổn định, và lệch khá nhiều so với giá trị nhất định đã nêu trện vì :

 Thay đổi lưu lượng

 Thay đổi độ mở của van 15

C biểu thị mức độ tổn thất năng lượng khi dòng chảy qua lưu lượng kế

Cấu tạo của màng chắn và venturi là khác nhau Màng chắn thay đổi kích thước đột ngột hơn nên tổn thất áp suất lớn hơn venturi  Cm < Cv

 Tổn thất năng lượng của lưu lượng khi dòng chảy qua lưu lượng kế venturi nhỏ hơn tổn thất năng lượng của lưu lượng của lưu lượng kế màng

Trong thí nghiệm:với đường kính lỗ và đường kính lỗ màng (venturi) bằng nhau nên

V2 và  bằng nhau Do đó C tỉ lệ nghịch với P

Kết quả thí nghiệm cho thấy kết luận trên là phù hợp với thực tế

 Sự phụ thuộc của C m và C v theo Re :

Theo phương trình trên, hệ số lưu lượng tỉ lệ thuận với vận tốc dòng chảy và tỉ lệ

nghịch với P (V) Re tăng kéo theo P tăng do đó C tăng hay giảm phụ thuộc vào

mức độ tăng nhiều hay ít của Re và P

 So sánh lưu lượng kế màng và venturi :

Sử dụng lưu lượng kế màng và venturi đđều cho kết quả chính xác Tuy nhiên, đđộ chính xác của lưu lượng kế venturi có thể tốt hơn, do kích thước cổ ống thay đđổi từ từ, không xảy ra hiện tượng đđột ngột thay đđổi, lực ma sát cục bộ sẽ nhỏ hơn nhiều so với lưu lượng kế màng có sự thay đđổi đđường kính đđột ngột

Nhưng trong quá trình thí nghiệm ta lại sử dụng lưu lượng kế màng chắn do

Pm>Pv nên khoảng Q tra trên đồ thị nhiều hơn

3 Giản đồ biểu diễn thừa số ma sát f theo Re :

Theo lý thuyết :

• Khu vực chảy tầng f=f1(Re)

• Khu vực chảy rối thành trơn f=f2(Re)

• Khu vực quá độ từ chảy rối thành trơn sang chảy rối thành nhám: f=f3(Re,/d)

• Khu vực chảy với thành nhám hoàn toàn f=f4(/d)

Theo thực nghiệm :

Từ giản đồ ta nhận thấy cùng một độ nhám tương đối nhưng sự phụ thuộc của f theo

Re khác nhau khi khảo sát trên những chiều dài ống khác nhau sự khác biệt ở trên là

do sự không đồng nhất độ mở của van 13 giữa các lần thí nghiệm , sự rò rỉ chất lỏng dọc đường ống , độ nhám của ống không đồng đều dọc theo ống (do gỉ sét)

Sự phân chia các khu vực chế độ chảy phụ thuộc vào độ nhám tương đối, đường kính của ống và vận tốc lưu chất trong ống do đó vùng Re chảy tầng của ống này có thể là vùng Re chảy rối của ống kia

Từ kết quả thí nghiệm ta thấy:

Ống 1": f thay đổi theo Re chia làm hai khu vực :

- f tăng khi Re tăng từ 10000 ÷35000 : Khoảng Re này thể hiện chế độ dòng chảy là chảy tầng Kết quả không phù hợp với lý thuyết

- f không đổi khi Re > 35000 : Khoảng Re này thể hiện chế độ dòng chảy quá độ là chảy rối thành trơn sang chảy rối thành nhám, khi này f đạt giá trị gần bằng 0,027

Ống 1/2": f thay đổi theo Re chia làm hai khu vực :

- f tăng khi Re tăng từ 15000 ÷76000 : Khoảng Re này thể hiện chế độ dòng chảy là chảy tầng

- f không đổi khi Re > 76000 : Khoảng Re này thể hiện chế độ dòng chảy quá độ là chảy rối thành trơn sang chảy rối thành nhám, khi này f đạt giá trị gần bằng 0,026

4 Giản đồ biểu diễn lưu lượng Q theo độ mở của van tại một vài áp suất :

Từ giản đồ ta nhận thấy : Van càng mở lớn thì lưu lượng qua van càng lớn ứng với một tổn thất cột áp cho trước

Mức độ tổn thất năng lượng cũng thể hiện ở chiều dài tương đương Le (bảng số liệu cho thí nghiệm 3) Độ mở càng lớn thì Le càng nhỏ tức tổn thất cục bộ càng nhỏ

5 Đặc tuyến riêng của van tại các độ mở khác nhau :

Đường đặc tuyến riêng của van nằm dưới đường 450 tức là van sử dụng là van cửa Độ mở của van ảnh hưởng nhiều đến tổn thất năng lượng của hệ thống, giản đồ cho thấy ứng với cùng một trị số lưu lượng Q thì tổn thất áp suất qua van mở 1/4 là cao nhất và qua van mở hoàn toàn là nhỏ nhất do đó để giảm tổn thất ta phải mở van hoàn toàn khi sử dụng

Do tổn thất năng lượng qua van nên áp suất ở đầu ra của van giảm Điều này được ứng dụng làm van tiết lưu thay đổi áp suất trong hệ thống dẫn khí

6 Các nguyên nhân gây sai số :

- Sự rò rỉ chất lỏng dọc đường ống, làm tổn thất năng lượng

-Sự hoạt động không ổn định của bơm

-Sự gỉ sét không đồng đều bên trong ống dẫn đến độ nhám thành ống không đều, bị đóng cặn…

-Độ mở của các van không đồng nhất giữa các lần thí nghiệm

-Các giá trị tổn thất cột áp xác định bằng mắt và dao động liên tục nên kết quả thu được có sai số.Một vài số liệu xác định được là do kết quả của thí nghiệm trước nên sẽ dẫn đến hiện tượng sai số được lặp lại nhiều lần