KHẢO sát THỰC NGHIỆM PHƯƠNG PHÁP đo PROFIN vận tốc DÒNG CHẤT LỎNG BẰNG XUNG SIÊU âm

Trang 335 KHẢO SÁT THỰC NGHIỆM PHƯƠNG PHÁP ĐO PROFIN VẬN TỐC DÒNG CHẤT LỎNG BẰNG XUNG SIÊU ÂM Nguyễn Anh Tuấn, Nguyễn Ngọc Minh, Nguyễn Văn Lập, Nguyễn Văn Kựu Khoa Cơ khí, Trường Đại

Trang 335

KHẢO SÁT THỰC NGHIỆM PHƯƠNG PHÁP ĐO PROFIN VẬN TỐC

DÒNG CHẤT LỎNG BẰNG XUNG SIÊU ÂM

Nguyễn Anh Tuấn, Nguyễn Ngọc Minh, Nguyễn Văn Lập, Nguyễn Văn Kựu

Khoa Cơ khí, Trường Đại học Thủy Lợi, 175 Tây Sơn – Đống Đa – Hà Nội

TÓM TẮT:

Phương pháp đo profin vận tốc dòng chất lỏng

bằng xung siêu âm (phương pháp UVP) đã được

thí nghiệm trong đường ống dài L = 4 m, đường

kính trong D = 40 mm, chiều dày ống

δ = 4 mm Vật liệu làm ống là nhựa Acrylic Chất

lỏng dùng cho thí nghiệm là nước sạch Trong

vùng bán kính r = 15 mm tính từ tâm ống, kết quả

đo profin vận tốc dòng trong ống cho thấy phù hợp với lý thuyết động lực học chất lưu Tuy nhiên phương pháp UVP không phù hợp để đo profin vận tốc ở khu vực sát thành ống Điều này cũng phù hợp với các kết quả của một số nhà nghiên cứu

Từ khóa: phương pháp UVP, dòng chất lỏng

1 GIỚI THIỆU CHUNG

Nhiều thập kỷ qua, việc đo dòng chảy là vấn đề

luôn được quan tâm không chỉ trong kỹ thuật chất

lỏng mà cả trong trong các lĩnh vực công nghiệp

Các tính chất của chất lỏng thường có sự khác

nhau rất lớn giữa các lĩnh vực công nghiệp khác

nhau Các chất lỏng có thể có các tính chất như

ăn mòn, mài mòn, cháy, nổ, hay độc hại Nó có

thể là chất lỏng một pha (khí sạch hoặc nước

sạch), hoặc chất lỏng nhiều pha (dung dịch bùn

hoặc khí có lẫn bụi) Các đường ống dùng để vận

chuyển chất lỏng có đường kính từ 1 mm đến vài

mét Nhiệt độ chất lỏng có thể thay đổi từ không

độ đến hàng trăm 0C, áp suất có thể thay đổi từ

chân không đến hàng trăm bar

Do có sự khác nhau rất lớn giữa các tính chất

của chất lỏng, ứng dụng của dòng trong các lĩnh

vực công nghiệp khác nhau, các kỹ thuật đo dòng

khác nhau đã được phát triển để phù hợp với

từng điều kiện dòng riêng biệt Dù rất nhiều kỹ

thuật đo dòng đã được đề xuất trong thời gian

qua, nhưng chỉ có một số kỹ thuật đo dòng chảy

có thể có áp dụng cho nhiều điều kiện đo dòng

khác nhau Chưa có kỹ thuật đo dòng chảy nào

có thể áp dụng cho tất cả các điều kiện đo dòng

chảy

Việc đo dòng chảy của các chất lỏng đục

dường như rất khó khăn Các kỹ thuật đo dòng

bằng các phương tiện quang học chụp hình ảnh

cũng gần như không thực hiện được vì tính đục

của dung dịch gây mù các thiết bị quang học Các phương pháp đo dòng khác như đo bằng áp suất hay mô-men không thể cho kết quả trường không gian vận tốc tức thời Với nhiều loại dung dịch có ứng xử phi Niu-tơn và độ nhớt cao thì khi cho đầu

đo trực tiếp xâm nhập vào dung dịch sẽ làm thay đổi trường dòng ảnh hưởng đến kết quả đo Bằng việc sử dụng phương pháp đo profin vận tốc dòng bằng xung siêu âm (Ultrasonic Velocity Profile - UVP), có thể thực hiện việc đo dòng chảy với các loại dung dịch đục, chất lỏng nhớt phi Niu-tơn được gặp rất nhiều trong kỹ thuật Ngoài ra, phương pháp UVP cũng cho phép đo được trường dòng chảy tức thời theo không gian và thời gian Do đó có thể sơ đồ hóa được toàn bộ trường dòng

Đo profin vận tốc tức thời trong các dòng chảy rối là rất quan trọng trong động lực học chất lỏng

và các lĩnh vực kỹ thuật liên quan khác Tuy nhiên, những khó khăn trong việc sử dụng phương pháp để có được kết quả đo chính xác trong các lĩnh vực kỹ thuật khác nhau là vấn đề cần được tiếp tục xem xét nghiên cứu Trong nghiên cứu này, việc đo profin vận tốc dòng chảy dòng chất lỏng trong ống mặt cắt tròn sử dụng phương pháp đo không xâm nhập bằng xung siêu

âm (phương pháp UVP) đã được làm thực nghiệm Kết quả đo được so sánh, phân tích và

Trang 336

thảo luận với các lý thuyết cơ bản, các kết quả của các nghiên cứu trước đây

2 NGUYÊN LÝ CỦA PHƯƠNG PHÁP UVP

Phương pháp đo profin vận tốc bằng sóng siêu

âm UVP được phát triển bởi Takeda et al 1995

[1], [2] cho phép thu được profin vận tốc tức thời

dọc theo chùm xung siêu âm truyền vào dòng

chảy (Hình 1) Phương pháp này được dựa trên

nguyên lý phản xạ sóng âm của các hạt di chuyển

cùng với dòng chảy của chất lỏng Các vị trí và

vận tốc của các hạt có thể được rút ra từ độ trễ

thời gian giữa các tín hiệu của sóng phát xạ và

sóng phản xạ và sự thay đổi tần số do hiệu ứng

Doppler Để thu được profin vận tốc, chùm xung siêu âm được truyền vào dòng chất lỏng nhờ một đầu rò hoạt động như là một bộ nhận xung siêu

âm phản xạ từ các hạt di chuyển trong dòng chảy

Sự phát và truyền xung siêu âm tuân theo các định lý truyền sóng Sự phản xạ, nhiễu xạ, biến đổi của xung siêu âm xuất hiện tại ranh giới giữa hai vật liệu Để tránh các ảnh hưởng này, góc tới của xung siêu âm thường được đặt lớn hơn góc tới hạn của sóng dọc

Hình 1 Nguyên lý phương pháp UVP

3 THIẾT LẬP MẠCH THÍ NGHIỆM

Thí nghiệm được thực hiện với nước máy lấy

từ vòi cấp của nhà máy nước trong thành phố

Nhiệt độ của nước được duy trì ở nhiệt độ 250

C

Đường ống thí nghiệm có chiều dài L = 4 m,

đường kính trong D = 40 mm, chiều dày thành

ống δ = 4 mm Đo profin vận tốc được thực hiện

tại vị trí cách lối vào 1 m Để luân chuyển dòng

chất lỏng trong đường ống, chúng tôi sử dụng

một bơm chìm công suất N = 0,75 kW, lưu lượng

lớn nhất Q = 0,22 m3

/phút, c ột áp lớn nhất H = 7,5 m (Hình 2)

Thiết bị đo profin vận tốc bằng siêu âm là loại

FSDP-1 được sản xuất bởi công ty Fuji (Nhật

Bản) với hai đầu dò siêu âm 8 MHz Đầu dò được đặt tạo với hướng dòng một góc 450 Với mỗi đầu

dò, các vận tốc được đo ở 126 điểm cho độ sâu

57 mm, độ phân dải là 0,45 mm theo hướng

truyền của xung siêu âm Thời gian giữa hai xung liên tiếp 128µs Profin vận tốc trung bình được

xác định từ 1000 profin vận tốc tức thời trong

quãng thời gian 20s Mức thời gian này đủ dài so với tỷ lệ thời gian đặc trưng rối của dòng Hạt dùng để bắt xung siêu âm được cho vào dung dịch thí nghiệm là Diaion của Mitsubishi Chemical (Nhật Bản)

Trang 337

Hình 2 Sơ đồ mạch thí nghiệm

4 KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN

4.1 Profin vận tốc

Profin vận tốc dòng trung bình trong ống có

đường kính trong 40 mm với số Reynolds

Re = 60000 được biểu diễn trong Hình 3 Biểu đồ

cho thấy profin vận tốc trung bình của dòng trong

ống có đặc trưng rối đã phát triển đầy đủ, phân bố

dạng hình parabol Vận tốc lớn nhất tại tâm ống,

giảm dần sang hai bên thành ống Tuy nhiên từ

thành ống đến vị trí cách thành ống khoảng 4

mm, vận tốc dòng trung bình (Vaver) khá lớn

thuyết vì vận tốc sẽ thấp tại khu vực gần thành

ống và vận tốc bằng không tại thành ống [3] Các

nghiên cứu đều báo cáo phương pháp UVP

không thể đo khu khu vực gần thành ống Để làm

rõ nhận xét này, chúng tôi vẽ đồ thị profin vận tốc

dạng logarit u,ynhư Hình 4 Trong khu vực

phân bố rối y100 xa thành ống, kết quả đo phù hợp với phương trình lý thuyết

u  y được đề xuất bởi Schlichting,

1960 [3] Trong khu vực dòng nhớt y10 và khu vực dòng chuyển tiếp 10y100 sát gần thành ống, kết quả không phù hợp với lý thuyết dòng lớp biên [3]

4.2 Cường độ rối

Như thảo luận ở phần 4.1, phương pháp đo UVP không thể đo được ở khu vực gần thành ống, nên ở đây chúng tôi chỉ mô tả cường độ rối

từ vị trí cách thành ống khoảng cách y/R =0,2 Trên đồ thị Hình 5 ta thấy, cường độ rối tăng dần

từ khu vực gần thành tường đến khu vực tâm ống Tại khu vực tâm ống, cường độ rối đạt 0,022

Hình 3 Profin vận tốc dòng trong ống Hình 4 Đồ thị profin vận tốc dạng Logarit

Trang 338

Hình 5 Cường độ rối dòng trong ống

5 KẾT LUẬN

Profin vận tốc dòng trong ống mặt cắt tròn đã

được khảo sát thực nghiệm bằng xung siêu âm

(phương pháp UVP) Đây là một phương pháp đo

dòng tiên tiến không xâm nhập trực tiếp vào chất

lỏng, không phá hủy cấu trúc thành ống Phương

pháp UVP có thể cho phép đo các profin vận tốc

tức thời của dòng trong ống Nó phù hợp với các

loại chất lỏng đục, chất lỏng phi Niu-tơn Kết quả

thí nghiệm cho thấy phương pháp này cho kết quả đo profin vận tốc phù hợp tốt với lý thuyết động lực học chất lỏng dòng trong các đường ống, Tuy nhiên, kết quả đo cũng cho thấy phương pháp UVP không thích hợp để đo profin vận tốc tại khu vực sát gần thành ống Kết quả này cũng phù hợp với các nghiên cứu của các tác giả khác

REFERENCES

[1] Y Takeda, “Ultrasonic Doppler Method for

velocity profile measurement in Fluid

Dynamics and Fluid Engineering”, no 1, pp

1–8, 1998

[2] Y Takeda, “Velocity Profile

Measurement by Ultrasonic Doppler Method”, Exp Therm Fluid Sci., vol 1777,

no 94, pp 444–453, 1995

[3] H Schlichting, “Boundary layer theory,”

1960

EXPERIMENTAL INVESTIGATING AN ULTRASONIC VELOCITY

PROFILE METHOD OF PIPE FLOW

Nguyen Anh Tuan, Nguyen Ngoc Minh, Nguyen Van lap, Nguen Van Kuu

Department of Mechanical Engineering, Thuy Loi University, 175 Tay Son, Dong Da, Hanoi

ABSTRACT:

The untrasonic velocity profile method (UVP

method) were performed in a circular arcrylic pipe

line with 4m in length, 40mm in diameter and

4mm in thickness The clean tap water was used

for the experiment In region with the radius of

15mm from the pipe center, the experimental

results was well agreed with that to be showed in the therory of fluid dynamics However, the UVP method is not appropriate to measure in region near pipe wall This is also as same as that of some researchers

Keywords: UVP method, pipe flow

0 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05

y/R

Re = 60000