Báo cáo thí nghiệm môn cơ học chất lưu bài 1 đo áp suất và tính tốc độ dòng chất lưu

ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI TRƯỜNG CƠ KHÍ KHOA NĂNG LƯỢNG NHIỆT - BÁO CÁO THÍ NGHIỆM MƠN CƠ HỌC CHẤT LƯU HỌ VÀ TÊN: Vũ Hoàng Bách MSSV: 20204262 MÃ LỚP: 726797 HỌC KỲ: 2022.1 Hà nội, 2/2023 THÍ NGHIỆM CƠ HỌC CHẤT LƯU (Phần khí) Lưu ý: *An tồn làm thí nghiệm (cả người thiết bị) * Áp suất bình góp BC1: p  0.1bar A THÍ NGHIỆM Bài 1: ĐO ÁP SUẤT VÀ TÍNH TỐC ĐỘ DỊNG CHẤT LƯU I NHIỆM VỤ - Xác định áp suất động dòng lưu chất bình - Xác định vận tốc dịng lưu chất chuyển động bình II SƠ ĐỒ THÍ NGHIỆM Ghi chú: f: chất lưu; m: Mơi chất; t: tồn phần; s: tĩnh; V1, V2: van chặn; MN: Máy thổi khí; BC1: bình góp; BC2 : ống khí động; P1, P2: áp kế Hình 1: Đo áp suất động tốc độ dịng III TRÌNH TỰ TIẾN HÀNH THÍ NGHIỆM: Bật máy máy thổi khí (Blower) để đưa khí vào bình góp BC1 Lưu ý: Mở van xả bình góp BC1 để trì áp suất bình > Reth trạng thái chảy rối Đối với dịng chảy đầy ống trịn thẳng: Reth = 2300 MƠ TẢ THIẾT BỊ THÍ NGHIỆM Thiết bị thí nghiệm biểu diễn hình vẽ Nước cấp qua van cấp vào bình điều tiết A chảy qua ống thí nghiệm Reynolds (ống thủy tinh suốt để dễ dàng quan sát trạng thái chảy) sang bình điều tiết B Ở bình điều tiết A B mực nước trì ổn định Nước màu đổ vào bình chứa Khóa dùng để điều chỉnh lưu lượng nước màu chảy từ bình chứa qua ống Dùng van điều chỉnh vận tốc dịng chảy qua ống để có trạng thái chảy khác ống thí nghiệm Reynolds lưu lượng kế thị giá trị lưu lượng tương ứng với trạng thái chảy Hình Sơ đồ thí nghiệm Reynolds A, B Các bình chứa nước; Bình nước màu; Khóa bình nước màu; Ống thí nghiệm Reynolds; Van điều chỉnh lưu lượng; Lưu lượng kế TRÌNH TỰ THÍ NGHIỆM Nghiên cứu sở lý thuyết trạng thái chảy dịng chất lỏng có áp chảy ồn định ống trụ trịn Làm quen với thiết bị thí nghiệm thiết bị đo Mở van cấp để cấp nước cho bình điều tiết A B đợi đến bình cung cấp đủ nước để tiến hành thí nghiệm Trong thời gian chờ đợi pha nước màu đổ vào bình chứa nước màu Dùng nhiệt kế đo nhiệt độ nước để xác định hệ số nhớt động học tương ứng Mở khóa điều chỉnh lưu lượng nước màu đủ quan sát (nếu dòng nước màu to, dòng nước màu bị lắng xuống, khó thực thí nghiệm) Mở van để điều chỉnh vận tốc dòng chảy qua ống từ bé đến lớn cho dòng chảy trạng thái chảy tầng, chảy độ chảy rối; điều chỉnh vận tốc dòng chảy qua ống từ vận tốc lớn bé, tức điều chỉnh trạng thái dòng chảy độ chảy tầng (hình vẽ 2) Ghi lại giá trị lưu lượng lưu lượng kế tương ứng với trạng thái chảy mà ta quan sát Tiến hành thí nghiệm với ba đến năm chu kỳ tăng giảm vận tốc qua ống Hình Hình ảnh dịng nước màu trạng thái chảy XỬ LÍ KẾT QUẢ THÍ NGHIỆM Kết thí nghiệm trình bày vào bảng 1 Trạng thái dòng chảy (khi quan sát), số liệu lưu lượng Qi nhiệt độ nước t ghi lại vào cột [2], [3] [5] tương ứng bảng Ứng với giá trị lưu lượng Qi đo cột [3] bảng ta tính vận tốc trung bình vi dịng chảy theo cơng thức: Trong d – đường kính tiết diện mặt cắt ống 3 Độ nhớt động học nước ν tính từ giá trị nhiệt độ nước (mà ta đo cột [5] bảng 1) theo bảng theo công thức Poise: Trong t - nhiệt độ nước, 0C Giá trị tính cần điền vào cột [6] bảng Tính trị số Re ứng với vận tốc vi ghi lại vào cột [7] bảng Từ giá trị Re thu ta ghi trạng thái dịng chảy tương ứng với vào cột [8] Bảng 1- Kết thí nghiệm Reynolds TT Trạng thái chảy Q v T (quan sát) (m /s) (m/s) (oC) (m2/s) [1] [2] [3] [4] [5] [6] Trạng thái chảy (theo kết tính) [7] [8] Chảy tầng 1,19.10-5 0,0168 24 9,168.10-7 549,74 Chảy tầng Chảy tầng 1,22.10-5 0,0173 24 9,168.10-7 566,10 Chảy tầng Chảy tầng 1,11.10-5 0,0157 24 9,168.10-7 513,74 Chảy tầng Chảy rối 6,25.10-5 0,0884 24 9,168.10-7 2892,67 Chảy rối Chảy rối 5,88.10-5 0,0832 24 9,168.10-7 2722,51 Chảy rối Chảy rối 7,69.10-5 0,1088 24 9,168.10-7 3560,21 Chảy rối Bảng 2- Độ nhớt động học nƣớc t (oC) n.10 (m2/s) 10o 20o 30o 0o 17,92 13,06 10,06 8,05 40o 50o 60o 80o 100o 6,59 5,56 4,8 3,7 2,95 Nhận xét, đánh giá kết thí nghiệm: So sánh trạng thái dịng chảy theo kết tính tốn (ở cột [8]) với trạng thái chảy mà ta quan sát làm thí nghiệm (ở cột [2]) đưa nhận xét, đánh giá Nếu khơng có phù hợp rõ ngun nhân có So sánh trạng thái dịng chảy theo kết tính tốn với trạng thái chảy mà ta quan sát làm thí nghiệm đưa nhận xét, đánh giá Nếu khơng có phù hợp rõ ngun nhân có Trạng thái dịng chảy theo tính tốn dựa vào so sánh số Reynolds với số Reynolds tới hạn với trạng thái dòng chảy quan sát làm thí nghiệm Quan sát phịng thí nghệm với dịng nước pha chút mực đen, ta thấy rằng: +, Khi vận tốc dòng nước nhỏ, vết mực theo đường thẳng, chế độ chảy tầng +, Khi vận tốc tăng đến mức mà ta thấy dịng mực bắt đầu có tượng gợn sóng, giai đoạn độ +, Khi vận tốc tăng lên , dòng mực gần hòa trộn vào nước, chế độ chảy rối Trong q trình thí nghiệm, mực dùng thí nghiệm mực hịa tan phần nên có nhiều vết mực bám vào bình đựng ống, ảnh hưởng đến trình chảy phải đợi thời gian ổn định quan sát rõ chế độ chảy Bài – XÁC ĐỊNH CÁC THÀNH PHẦN TRONG PHƢƠNG TRÌNH BERNOULLI Mục đích: Vẽ đường đường đo áp sau xác định thành phần phương trình Bernoulli thí nghiệm CƠ SỞ LÝ THUYẾT Phương trình Bernoulli phương trình lượng viết cho đơn vị lượng chất lỏng Phương trình Bernoulli tồn dịng chất lỏng thực, khơng nén được, chuyển động ổn định từ mặt cắt 1–1 đến mặt cắt 2-2 (hình vẽ 3) có dạng: đó: – lượng vị trí dịng chảy tâm mặt cắt ướt 1-1 2-2 so với mặt chuẩn 0-0 gọi vị đơn vị hay độ cao hình học; Hình Sơ đồ dịng chảy qua đoạn ống có kích thước khác đó: – trọng lượng riêng chất lỏng; – áp suất tâm mặt cắt 1-1 2-2; – áp đơn vị trọng lượng chất lỏng áp suất gây mặt cắt 1-1 2-2, gọi áp đơn vị hay độ cao đo áp; 10 – đơn bị hay cột áp thủy tĩnh mặt cắt 1-1 2-2; 1 , 2 – hiệu số hiệu chỉnh động hay hệ số Coriolis mặt cắt 1-1 2-2 v1, v2 – vận tốc trung bình mặt cắt 1-1 2-2; , – động đơn vị hay độ cao vận tốc mặt cắt 1-1 2-2; – tổn thất lượng đơn vị đoạn chảy từ mặt cắt 1-1 đến 2-2 MƠ TẢ THIẾT BỊ THÍ NGHIỆM Thiết bị thí nghiệm biểu diễn hình vẽ Nước cấp qua van cấp vào bình điều tiết A chảy qua ống thí nghiệm Bernoulli sang bình điều tiết B Hình Sơ đồ ống thí nghiệm Bernoulli A, B Các bình chứa nước; Ống thí nghiệm Bemoulli; Van điều chỉnh lưu lượng; Lưu lượng kế; I, II, III, IV V Các ống đo áp điều tiết B Ở bình điều tiết A B mực nước trì ổn định Trên ống thí nghiệm Bernoulli có gắn ống đo áp I, II, III, IV V tương ứng với mặt cắt chọn Đường kính ống d1 = 2.6 cm ; d2 = 1.3 cm Dùng van chiều điều chỉnh vận tốc dòng 11 chảy qua ống thí nghiệm Bernoulli 1, lưu lượng kế hiển thị giá trị lưu lượng tương ứng với vận tốc dòng chảy TRÌNH TỰ THÍ NGHIỆM Nghiên cứu sở lý thuyết phương trình Bernoulli tồn dịng chất lỏng thực, khơng nén được, chuyển động ổn định Làm quen với thiết bị thí nghiệm thiết bị đo Mở van V-1.1 V-2.1 100%, van V-1.2 đóng Bật máy bơm nước Điều chỉnh van V-2.1 để điều chỉnh lưu lượng nước qua ống venturi Khi ống I, II, III, IV, V hết bọt khí mực nước khoảng hiển thị, mở van V-1.2 100% Điều chỉnh V-2.1 đạt lưu lượng .và ghi số liệu cột I, II, III, IV, V (ghi số liệu lần sau phút) Tắt máy bơm Đóng van V-1.1 XỬ LÝ KẾT QUẢ THÍ NGHIỆM Ghi giá trị lưu lượng Qi hiển thị lưu lượn kế vào cột [2] bảng Ứng với giá trị lưu lượng Qi đo nói ta tính vận tốc trung bình vi dịng chảy mặt cắt tương ứng theo cơng thức: d - đường kính tiết diện mặt cắt ống d = 26mm d2 = 13mm Ghi giá trị tính vào cột [3] bảng 3 Từ giá trị vi vừa tìm ta tính thành phần phương trình Bernoulli (ở đây, ta lấy = 1) Ghi giá trị vào cột [4], [7], [11], [15] [19] tương ứng bảng Theo cao độ ống đo áp I, II, III, IV V ta xác định trị số mặt cắt tương ứng (xem hình vẽ 4) (Nếu chọn mặt chuẩn qua trục ống ta có zi = 0) Ghi giá trị vừa tìm vào cột [5], [8], [12], [16] [20] tương ứng bảng 12 Các giá trị tổn thất cột áp cột [9], [13], [17] [21] bảng tính từ phương trình Bernoulli (Ví dụ cần tính cột [9] ta lấy tổng giá trị cột [7] cột [8] trừ tổng giá trị cột [4] cột [5]) Từ số liệu bảng sơ đồ ống thí nghiệm Bernoulli (trên hình vẽ 4) vẽ đường đường đo áp Bảng Kết thí nghiệm thành phần phƣơng trình Bernoulli Q TT v1 (m3/h) (m/s) [1] [2] [3] v2 (m) [4] (mm) [5] (m/s) [6] v3 (m) [7] (m) [9] (mm) [8] (m/s) [10] (m) [11] 0.60 0.31 0.0049 400 0.31 0.0049 400 0.0000 1.25 0.079 0.60 0.31 0.0049 410 0.31 0.0049 410 0.0000 1.25 0.079 0.65 0.34 0.0059 325 0.34 0.0049 325 0.0010 1.36 0.094 0.65 0.34 0.0059 253 0.34 0.0049 253 0.0010 1.36 0.094 0.68 0.35 0.0063 220 0.35 0.0049 220 0.0014 1.42 0.103 TT z3 + (mm) [1] [12] v4 α4 z4 + v5 α5 z5 + (m) (m/s) (m) (mm) (m) (m/s) (m) (mm) (m) [13] [14] [16] [17] [18] [19] [20] [21] [15] 360 -0.034 0.31 0.0049 365 0.069 0.31 0.0049 375 -0.010 370 -0.024 0.31 0.0049 375 0.069 0.31 0.0049 380 -0.005 280 -0.044 0.34 0.0059 285 0.083 0.34 0.0059 290 -0.005 205 -0.041 0.34 0.0059 210 0.083 0.34 0.0059 223 -0.013 170 -0.048 0.35 0.0063 178 0.089 0.35 0.0063 188 -0.010 Ghi chú: 13  Để kết thí nghiệm có độ xác cao cần điều chỉnh van cho dòng chảy qua ống Bernoulli dòng chảy rối NHẬN XÉT, ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ THÍ NGHIỆM So sánh tính đắn đường đường đo áp vẽ theo kết thí nghiệm với lý thuyết Các đương đương đo áp vẽ theo kết thí nghiệm lý thuyết tương đối giống Sự sai lệch công cụ đo người thực 14 Bài 3- XÁC ĐỊNH TỔN THẤT THỦY LỰC DỌC ĐƢỜNG Mục đích: Bằng thí nghiệm tính hệ số cản dọc đường CƠ SỞ LÝ THUYẾT Phương trình Bernoulli tồn dịng chất lỏng thực, khơng nén được, chuyển động ổn định từ mặt cắt 1-1 đến mặt cắt 2-2 có dạng: đó: tổn thất thủy lực dòng chảy chuyển động từ mặt cắt 1-1 đến mặt cắt 2-2 (hình vẽ 3) Giá trị bao gồm tổn thất thủy lực dọc đường hd, tổn thất thủy lực cục hc: Tổn thất thủy lực dọc đường hd cho dòng chảy ống tròn, theo Darcy, xác định theo cơng thức sau: đó: – chiều dài đoạn dịng chảy, m; d – đường kính ống, m; v – vận tốc trung bình dòng chảy, m/s; g – gia tốc trọng trường, m/s 2; dọc đường (hệ số ma sát) – hệ số sức cản Hệ số ma sát phụ thuộc vào trạng thái dòng chảy chất lỏng (tức Re) đặc trưng hình học ống dẫn, cụ thể độ nhám tương đối thành ống nhám ống (với - độ nhô mặt nhám d – đường kính ống) Một cách tổng quát, ta có: Mối quan hệ Moody biểu diễn dạng đồ thị ( - đồ thị Moody, hình vẽ 5) đồ thị cho ống thép trịn Phân tích đồ thị Moody, ta chia thành vực sau: Khu vực – khu vực chảy tầng (Re ) 15 Hệ số ma sát phụ thuộc vào Re mà không phụ thuộc vào (đoạn thẳng AB hình vẽ 5) Khi đó: Khu vực – khu vực độ từ chảy tầng sang chảy rối (2300 < Re 500 ) Khu vực nằm bên phải đoạn thẳng EF Trong khu vực hệ số ma sát phụ thuộc vào mà không phụ thuộc vào Re Một số công thực để xác định miền này: - Công thức Prandtl – Nicuradse: - Công thức Shifrinson (nhận từ công thức Altsul Re ): 17 MƠ TẢ THIẾT BỊ THÍ NGHIÊM Thiết bị thí nghiệm biểu diễn hình vẽ Nước cấp qua van cấp vào bình điều tiết A chảy qua ống thí nghiệm tổn thất thủy lực dịng đường (đường kính d = 1,5 cm) sang bình điều tiết B Ở bình điều tiết A B mực nước trì ổn định Trên ống thí nghiệm có gắn ống đo áp I II tương ứng với hai mặt cắt 1-1 2-2 chọn Khoảng cách hai ống đo áp = 60 cm Dùng van điều chỉnh vận tốc dòng chảy qua ống thí nghiệm tổn thất thủy lực dọc đường 1, lưu lượng kế hiển thị giá trị lưu lượng tương ứng với vận tốc dòng chảy Hình Ống thí nghiệm tổn thất thủy lực dọc đường TRÌNH TỰ THÍ NGHIỆM Nghiên cứu sở lý thuyết tổn thất thủy lực dọc đường dòng chảy ống 18 Làm quen với thiết bị thí nghiệm thiết bị đo Kiểm tra đảm bảo tất van trạng thái đóng 100% Mở van V-2 100% van V-0.0 100% phía sau thiết bị Van V-0.1 van thông V-0.2 mở 100% Mở van V-1.1, V-4.1, V-5.1 V-6.1 - Đo trở lực đường dài: a/ Mở van V-4.1 điều chỉnh lưu lượng van V-2 Khóa van V-0.1 V-0.2 đảm bảo cột nước ống đo áp Cắm đầu đo vào vị trí van V-4.2 V-4.3 b/ Ghi lại giá trị chênh lệch cột đo áp c/ Khóa van V-4.2 V-4.3 Rút đầu nối khỏi van Mở van V-2 100%, đóng van V-4.1 lại kết thúc thí nghiệm - Đo trở lực qua van: Tương tự đo trở lực đường dài XỬ LÝ KẾT QUẢ THÍ NGHIỆM Bảng 4- Kết thí nghiệm tổn thất thủy lực dọc đƣờng Tt Trg thái chảy (quan sát) [1] [2] Q v (m3/h) (m/s) (m2/s) [3] [4] [5] Re [6] h1 h2 h (mm) (mm) (mm) [7] [8] [9] [10] [11] Dòng chảy rối 0.4 0.629 9.17x10−7 10289 469 436 33 0.026 0.031 Dòng chảy rối 0.4 0.629 9.17x10−7 10289 785 140 645 0.502 0.031 Dòng chảy rối 0.4 0.629 9.17x10−7 10289 590 310 280 0.218 0.031 Trạng thái dòng chảy số liệu lưu lượng Qi hiển thị lưu lượng kế ghi lại vào cột [2] [3] tương ứng bảng Ứng với giá trị lưu lượng Qi đo nói ta tính vận tốc trung bình vi dịng chảy mặt cắt tương ứng theo cơng thức: Ghi giá trị tính vào cột [4] bảng Độ nhớt động học nước ν tính từ giá trị nhiệt độ nước (xem thí nghiệm 1) ghi lại vào cột [5] bảng 4 Tính số Re ứng với vận tốc vi ghi lại vào cột [6] bảng 19 Độ cao h1, h2 ống đo áp I II điền vào cột [7] [8] tương ứng bảng Từ giá trị cột [7] [8] ta tính độ chênh cột áp cột [9] bảng h = h1 – h2 ghi lại vào Hệ số sức cản dọc đường (được tính tốn từ kết thí nghiệm) tính theo cơng thức: tổn thất dọc đường bảng hd = h Ghi giá trị tìm vào cột [10] Hệ số sức cản dọc đường lý thuyết tính theo công thức tương ứng với khu vực đồ thị Moody (căn vào số Re cột [6]) Ghi giá trị tìm vào cột [11] bảng Từ kết bảng vẽ đồ thị phụ thuộc NHẬN XÉT, ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ THÍ NGHIỆM - So sánh giá trị hệ số sức cản dọc đường tính theo thực nghiệm tính theo lý thuyết - Từ kết so sánh nêu nhận xét, đánh giá +Từ bảng giá trị thấy > q trình đo tính tốn giá trị tổn thất, hệ số  phụ thuộc vào Re + Giá trị Re lớn dãy hỗn loạn , hệ số trở lực giảm theo thực nghiệm theo lý thuyết lại tăng Từ ta có: =>> thực nghiệm không phụ thuộc vào R 20