BÁO CÁO THỰC HÀNH CƠ LƯU CHẤT

TẬP ĐỒN DẦU KHÍ VIỆT NAM TRƯỜNG ĐẠI HỌC DẦU KHÍ VIỆT NAM NHÂN TÀI CHO PHÁT TRIỂN BÁO CÁO THỰC HÀNH CƠ LƯU CHẤT GVHD: PhD Vũ Minh Hùng Sinh viên : Chế Ngọc Trung Lớp Bà Rịa - 2020 : K7-LHD January 6, 2020 [CƠ LƯU CHẤT] Bài thực hành NGHIÊN CỨU ĐỊNH LUẬT BERNOULLI I Phương trình Bernoulli Xét dịng chảy ống có hai tiết diện mặt cắt khác nhau, từ định luật bảo tồn lượng, ta có phương trình Bernoulli: P1 V 21 P2 V 22 + + Z = + +Z γ 2g γ 2g Trong thiết bị này, Z1 =Z2 P=γh, γ=ρg P h= γ độ cao cột nước tương ứng áp suất thành Như vậy, đại lượng: ống điểm khảo sát, đo ống có mặt cắt song song với dịng chảy Cách bố trí đảm bảo V=0 Đại lượng V2/2g gọi độ cao động học đo ống Pitot ống có mặt cắt vng góc với dịng chảy So với ống có tiết diện đặt song song với dòng chảy, mực chất lỏng ống Pitot cao lượng độ cao động học (độ cao tốc độ): V2/2g=Δh Từ ta tính vận tốc: January 6, 2020 [CƠ LƯU CHẤT] V= √2gΔh Trong lý thuyết trên, coi chất lỏng lý tưởng Trên thực tế, phân tử nước ma sát với với thành bình, dẫn đến phần lượng bị hao tổn chuyển thành nhiệt Gọi ∆H áp suất suy giảm hai vị trí mặt cắt, ta có: ∆P=ρgQΔH với ∆P độ giảm áp suất Q lưu lượng Trong trường hợp này, phương trình Bernoulli trở thành: 2 P1 V P2 V + + Z 1= + +Z + ΔH γ 2g γ 2g II Thao tác với ống áp kế Đóng van cấp nước van khống chế lưu lượng Mở van cấp nước gần mức tối đa Mở dần van lưu lượng đến khơng cịn bọt khí Đóng van lưu lượng Tháo van non-return mở van xả để đuổi hết bọt khí Mở từ từ van lưu lượng Cố định van lưu lượng, ghi lại giá trị Đặt ống Pitot vào vị trí có tiết diện nhỏ chờ đến độ cao cột nước ổn định Khi độ cao cột nước ổn định, xác định giá trị V2/2g, chênh lệch độ cao hai ống áp kế: áp suất tĩnh hi áp suất tổng hp (ống Pitot) 10.Xác định tiết diện phương trình S=Q/V, Q lưu lượng 11.Lặp lại thao tác với tiết diện khác 12.Lặp lại thao tác với lưu lượng khác nhau: lần: lít/phút; 7,5 lít/phút 10 lít/phút [CƠ LƯU CHẤT] January 6, 2020 III Thực hành xác định tiết diện ống Điền số liệu vào bảng Bảng 1: mm hP h1 h2 434 358 360 h3 h4 h5 364 378 394 h6 424 Q2=7.5(l/min) 400 228 238 260 286 310 332 Q3=8.5(l/min) 266 36 52 82 114 146 176 Q1=¿ 5(l/min) =8.33x10-5(m3/s) =1.25x10-4(m3/s) =1.42x10 (m /s) -4 Bảng 2: (m/s) (m) hP - h1 hP -h2 hP -h3 hP -h4 hP -h5 hP -h6 V 1= √ g ( hP −hi ) V 2= √2 g ( h P−hi ) V 3= √ g ( h P−hi ) 1.22 1.20 1.17 1.05 0.89 0.44 1.84 1.78 1.66 1.50 1.33 1.16 2.12 2.05 1.90 1.73 1.53 1.33 Bảng 3: (mm2) (m) hP –h1 hP –h2 hP –h3 hP –h4 hP –h5 hP –h6 S1=Q1/V1 S2=Q2/V2 S1=Q3/V3 68.28 69.42 71.20 79.33 94.60 189.32 67.95 70.23 75.30 83.33 93.99 107.76 66.98 69.27 74.74 82.08 92.81 106.77 67.74 69.64 73.75 81.58 93.8 134.62 Nguyên nhân khác S1, S2 S3? *Nguyên nhân khách quan: Do tổn thất phần lượng ống(do ma sát diễn ống) dẫn đến sụt giảm áp bên ống January 6, 2020 [CƠ LƯU CHẤT] chiều cao mực chất lỏng quan sát lần thí nghiệm có chênh lệch *Ngun nhân chủ quan: Do người làm thí nghiệm đọc kết nhanh mực nước ống chưa ổn định Tại áp suất đo ống Pitot giảm dần dọc theo ống? Trong lý thuyết, coi chất lỏng lý tưởng Trên thực tế, phân tử nước ma sát với với thành bình, dẫn đến phần lượng bị hao tổn chuyển thành nhiệt Điều làm cho áp suất đo ống Pitot giảm dần dọc theo ống January 6, 2020 [CƠ LƯU CHẤT] Bài thực hành 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 chảy rối dòng chảy thể qua số Reynolds Số Reynolds xác định công thức: ℜ= ρ u d μ (1) Trong đó: ρ mật độ chất lỏng [kg/m3], u vận tốc [m/s], μ độ nhớt động lực học[kg/m.s], D đường kính ống[m] Độ nhớt động học η độ nhớt động lực học μ có mối quan hệ: μ ρ (2) u D η (3) η= Vậy: ℜ= Giá trị độ nhớt động học nước 20o C là: 10-6 m2 /s -Dòng chảy hai ống hình học số Reynolds Dịng chảy ống có lịng gồ ghề bị tổn hao lượng ma sát, gây tượng sụt áp Với dòng chảy tầng, có tỉ lệ thuận độ suy giảm lượng (sụt áp-pressure drop) vận tốc dòng chảy Với dòng chảy rối, độ suy giảm lượng tỉ lệ với bình phương vận tốc Một công thức quan trọng để xác định hệ số ma sát định luật DarcyWeisbach: ( )( ) L u D g ∆ h=h2 −h1 ∆ h=f (4) (5) [CƠ LƯU CHẤT] January 6, 2020 Từ ta có hệ số ma sát: f =∆ h Ở đây: ( DL )( 2.ug ) (6) h1: độ cao cột nước đầu ống [m] h2: độ cao cột nước cuối ống [m] Δh: độ sụt áp [m] f: hệ số ma sát [không thứ nguyên] L: độ dài ống [m] D: đường kính ống [m] u: vận tốc trung bình chất lỏng [m/s] g: gia tốc trọng trường [m/s] -Lưu lượng vận tốc chất lỏng liên hệ với bởi: (7) π D2 u Q= A u= với A tiết diện ống [m2] - Bên cạnh tượng sụt áp ma sát, sụt áp diễn thiết bị gắn ống van (valve), hay điểm chuyển dòng đoạn ống khuỷu (elbow), tee (ống chữ T) ống mở rộng (abrupt widening) Độ sụt áp trường hợp thông thường xác định thực nghiệm: ∆ h=K ( ) (8) u2 2g Với K hệ số tổn thất thực nghiệm không thứ nguyên II Phân tích kết quả: Sụt áp ma sát với thành ống Tính vận tốc dịng chảyutheo phương trình (7) Tính hệ số Reynolds ℜ theo phương trình (2) (3) Tính hệ số ma sát f cho lưu lượng khác theo phương trình (6) Điền vào bảng sau giá trị tính cho TN ống số 2-3-4-5: Đường kính ống D=17mm, chiều dài L=50cm Q (l/min) 15 Q (m /s) 0.0002 u (m/s) (mm H2O) Re 1.101 180 18717 ∆h f 0.099 Kiểu chảy Chảy rối [CƠ LƯU CHẤT] January 6, 2020 0.0003 1.498 362 25466 0.108 0.0004 25.1 1.850 607 31450 0.118 0.0005 30.2 2.203 915 37451 0.126 Thể đồ thị đường Δh phụ thuộc u ống nhám số 2-3, ống mịn số 4-5 Chảy rối 20.2 Chảy rối Chảy rối cặp TN Đồ thị biểu diễn phụ thuộc Δh vào u 1000 900 800 700 Y-Values Power (Y-Values) 600 500 400 300 200 100 1.2 1.4 1.6 1.8 2.2 2.4 *Nhận xét: Từ đồ thị ta thấy độ sụt áp Δh phụ thuộc vào vận tốc chất lỏng theo phương trình bậc Có nghĩa độ suy giảm lượng tỉ lệ với bình phương vận tốc dịng chảy phù hợp với cơng thức xác định hệ số ma sát theo lí thuyết Darcy-Weisbach: ( )( ) L ∆ h=f D u2 g Từ phụ thuộc Δh vào u, xếp loại kiểu chảy ống, điền vào bảng [CƠ LƯU CHẤT] January 6, 2020 Bài thực hành NGHIÊN CỨU ĐỊNH LUẬT REYNOLDS I Số Reynolds Số Reynolds R thông số quan trọng để phân loại tính chất dịng chảy Việc xác định số Reynolds giúp ta xác định vận tốc tới hạn chất lỏng Vận tốc tới hạn định nghĩa vận tốc mà dịng chảy chuyển từ dạng dòng chảy tầng sang dạng dòng chảy rối Osborne Reynolds chứng minh tạo hai loại dịng chảy ống dẫn Ông ta cố gắng phân loại dịng chảy ống mà khơng có tham gia kích thước loại ống đại lượng khơng thứ ngun, số Reynolds Dịng chảy tầng (Laminar flow regime): Là dịng chảy mà chất lỏng (khí) di chuyển thành lớp, khơng có hịa trộn khơng có xung động (nghĩa thay đổi vận tốc áp suất nhanh hỗn độn) Trong điều kiện này, dịng chảy có màu vạch thành đường rõ nét Có tỉ lệ thuận độ suy giảm lượng (sụt áp-pressure drop) vận tốc dịng chảy Vùng có số Reynolds nhỏ 2300 Vùng dòng chảy trung gian (Transional flow regime): Là vùng mà khơng có mối quan hệ rõ rệt độ suy giảm lượng (sụt áp) vận tốc dòng chảy Số Reynolds nằm khoảng 2300 đến 4000 Dòng chảy rối (Turbulent flow regime): Dòng chảy tầng tồn đến giá trị số Reynolds, vượt giá trị dòng chảy chuyển sang January 6, 2020 [CƠ LƯU CHẤT] dịng chảy rối Gía trị tới hạn số Reynolds phụ thuộc vào dạng chảy cụ thể (dòng chảy ống tròn, chảy bao quanh cầu ) Trong trạng thái này, phần tử chất lỏng chảy theo quĩ đạo hỗn loạn, đan xen vào Như vậy, khơng thể tạo dịng chảy có màu rõ nét Độ suy giảm lượng tỉ lệ với bình phương vận tốc Số Reynolds lớn 4000 Số Reynolds xác định công thức: R= ρ.u.d μ (1) Trong đó: ρ mật độ chất lỏng [kg/m3], u vận tốc [m/s], μ độ nhớt động lực học, d đường kính ống [m] Điều chứng tỏ số Reynolds đại lượng biểu thị độ lớn tương đối ảnh hưởng gây lực quán tính lực ma sát (tính nhớt) lên dòng chảy Độ nhớt động học (kinematic viscosity) v độ nhớt động lực học (dynamic viscosity) μ có mối quan hệ: μ ρ (2) u.d v (3) v= Vậy: R= Vì độ nhớt phụ thuộc nhiệt độ nên cần xác định nhiệt độ nước tra bảng độ nhớt tương ứng Tham khảo: - Độ nhớt động học nước 20oC: v=1 centistokes ( cSt )=10−6 m2 / s - Đường kính ống: d=10 mm II Thực hành phân loại vùng dòng chảy xác định số Reynolds Đổ khoảng 100 ml nước ml thuốc đỏ vào bình chứa nước màu Đặt mũi tiêm nước mầu vào tâm miệng ống quan sát mầu Đóng van điều khiển lưu lượng Bơm nước vào bình chứa nước tràn ra, hứng nước tràn xô nhựa Đóng mở van điều khiển vài lần để xả nước qua ống quan sát January 6, 2020 [CƠ LƯU CHẤT] Mở từ từ van kim tiêm nước mầu thu dòng chảy mầu nhỏ Điều chỉnh van lưu lượng quan sát thấy đường song song tạo nước mầu (dòng chảy tầng) Tăng dần lưu lượng để quan sát biến đổi dòng chảy Chú ý, trình cho nước chảy qua ống quan sát điều chỉnh van cấp nước vừa đủ để lượng nước tràn không lớn 10.Lưu lượng nước đo số nước chảy vào bình chia độ thời gian xác định đồng hồ bấm giây III Phân tích số liệu Bảng số liệu: Vùng chảy quan sát Vùng chảy tầng Vùng chảy tầng Vùng chảy tầng Vùng chảy tầng Vùng chảy trung gian Vùng chảy trung gian Vùng chảy rối Thể tích nước (ml) Thời gian (s) 200 200 300 200 400 400 400 234 66 36 21 21 14 12 Bảng kết quả: Vùng chảy Lưu lượng Q x10-6 (m3/s) Vận tốc (m/s) u=Q/r2π Số Reynolds Vùng chảy tầng Vùng chảy tầng Vùng chảy tầng Vùng chảy tầng Vùng chảy trung gian Vùng chảy trung gian Vùng chảy rối 0.855 3.03 8.333 9.52 19.05 28.57 33.33 0.011 0.039 0.106 0.121 0.243 0.363 0.424 110 390 1060 1210 2430 3630 4240 [CƠ LƯU CHẤT] January 6, 2020 *Vẽ đồ thị lưu lượng vs Số Reynolds Đồ thị biểu diễn mối quan hệ lưu lượng hệ số Reynolds 4500 4000 3500 3000 2500 2000 1500 1000 500 0 10 15 20 25 30 35 Trả lời câu hỏi: Số Reynolds thay đổi theo tăng lưu lượng? Từ kết thu ta thấy, lưu lượng tăng số Reynolds tăng tuyến tính Khoảng giá trị số Reynolds cho trạng thái chảy chuyển tiếp? -Hệ số Reynolds đại lượng biểu diễn dạng dòng chảy ống -Khi dòng chảy mà chất lỏng (khí) di chuyển thành lớp, khơng có hịa trộn khơng có xung động( vận tốc nhỏ) Đó gọi dịng chảy tầng có hệ số Reynolds nhỏ 2300 -Khi dịng chảy mà chất lỏng bắt đầu có hịa trộn, chuyển động hỗn độn( vận tốc lúc nhanh hơn) Đó gọi dịng chảy trung gian có hệ số Reynolds nằm khoảng 2300 đến 4000 -Khi dòng chảy ống chuyển động hỗn loạn, đan xen vào nhau, khơng thể tạo dịng chảy có màu rõ nét Đó gọi dịng chảy rối có hệ số Reynolds lớn 4000 Giá trị có phù hợp với quan sát Reynolds? Kết thu có giá trị hồn tồn phù hợp với quan sát Reynolds  ... S=Q/V, Q lưu lượng 11.Lặp lại thao tác với tiết diện khác 12.Lặp lại thao tác với lưu lượng khác nhau: lần: lít/phút; 7,5 lít/phút 10 lít/phút [CƠ LƯU CHẤT] January 6, 2020 III Thực hành xác... chảy, mực chất lỏng ống Pitot cao lượng độ cao động học (độ cao tốc độ): V2/2g=Δh Từ ta tính vận tốc: January 6, 2020 [CƠ LƯU CHẤT] V= √2gΔh Trong lý thuyết trên, coi chất lỏng lý tưởng Trên thực. .. chảy ống, điền vào bảng [CƠ LƯU CHẤT] January 6, 2020 Bài thực hành NGHIÊN CỨU ĐỊNH LUẬT REYNOLDS I Số Reynolds Số Reynolds R thơng số quan trọng để phân loại tính chất dòng chảy Việc xác định