Thí Nghiệm Thủy Lực Đại Cương pdf

Cơ sở lý thuyết: • Phương trình BECNULI là phương trình cân bằng năng lượng của dòng chảy lưu chất, có công thức : Với: ; d9 = 0.75cm z – cột nước vị trí tốn thất năng lượng từ mặt cắ

BÀI 1 :PHƯƠNG TRÌNH BECNULI

1 Cơ sở lý thuyết:

• Phương trình BECNULI là phương trình cân bằng năng lượng của dòng chảy lưu chất, có công thức :

Với:

; d9 = 0.75cm

z – cột nước vị trí

(tốn thất năng lượng từ mặt cắt 1 – 1 đến 2 – 2 )

• Khi dòng chuyển động của chất lỏng đi từ mặt cắt có tiết diện nhỏ sang tiết diện lớn động năng của dòng chảy giảm dần và thế năng của dòng chảy tăng dần

gọi là cột áp tĩnh , được biểu hiện sự thay đổi của đại lượng này theo phương dòng chảy gọi là đường đo áp

là năng lượng toàn phần của dòng chảy hay độ cao năng lượng , đường biểu diễn sự thay đổi của đại lượng này gọi

là đường năng

• Mục đích:

- Quan sát thí nghiệm để xác định tổn thất của dòng chảy

- Vẽ đường năng , và đường áp

2 Trình tự thí nghiệm:

Mở van VIII lần thứ nhất để nước chảy qua các đoạn ống 7,8,9,10 ,11

- Đợi khoảng 5 phút cho nước chảy ổn định trong ống rùi đo lưu

lượng nước chảy trong ống

- Đo năng lượng tồn phần của dịng chảy tại các đoạn ống 7,

8,9,10,11

- Tiếp tục mở van VIII lần thứ 2 để thay đổi lưu lượng chảy qua ống

, đo và tiếp tục thực hiên thí nghiệm them 2 lần nữa

- Đặt nhiệt kế vào bồn nước dự trữ để đo nhiệt độ của nước

3 Kết quả thí nghiệm:

Thể hiện trong bảng 1 (kết quả thí nghiệm 1)

4 Nhận xét và kết luận:

- Đường năng luơn luơn giảm theo chiều dài đoạn ống năng lượng

giảm trong quá trình truyền tải nước do xuất hiện ma sát giữa thành ống với nước và ma sát trong quá trình chuyển động nhưng thực tế

ở đoạn ống 10 giá trị của đường năng lại cao hơn ống 9.chứng tỏ

cĩ sai sĩt trong quá trình thực hiện thí nghiệm sai số xuất hiện trong quá trình lấy khối lượng nước, trong quá trình đo…vì vậy để

hạn chế sai số cần thực hiện nhiều lần đo, cân

- Đường đo áp luơn giảm, nhưng giảm mạnh ở đoạn co hẹp và tăng

nhưng khơng nhiều ở đoạn mở rộng.trong thực tế khi thực hiện thí

nghiệm đã đạt chính xác kết quả đo, sai số khơng qua lớn

23.1

27.5 27.2

35.05

34.5

29.1 31.2 30.9

Z

đường năng

đường đo áp

BÀI 2 : XÁC ĐỊNH CHẾ ĐỘ CHẢY (Thí Nghiệm REYNOLD)

1 cơ sở lý thuyết:

• trạng thái chảy trong đó các đường dòng chuyển động song song với nhau, các phần tử chuyển động theo những tầng lớp , và không xáo trộn vào nhau gọi là trạng thái chảy tầng

• trạng thái chảy trong đó các đường dòng chuyển động không song song với nhau , các chất lỏng chuyển động hỗn loạn , vô trật tự gọi

là trạng thái chảy rối

• trạng thái chảy quá độ từ tầng qua rối hoặc từ rối qua tầng gọi là trạng thái chảy phân giới

• trong thí nghiệm Reynold : khi tăng từ từ lưu lượng từ giá trị bằng không:

- ở giá trị lưu lượng nhỏ tia màu giữ được thẳng và theo đường tâm ống, không dao động , các phần tử màu không hòa trộn với các phần tử nước xung quanh nó

 trạng thái nước chảy là chảy tầng

- khi lưu lượng lớn đến 1 mức nào đó tia màu bắt đầu dao động và dòng chảy đã hết trạng thái chảy tầng

- nếu tiếp tục tăng lưu lượng tia màu sẽ dao động nhiều hơn, tiến tới đức đoạn và sau đó bị hòa trộn hoàn toàn với dòng chảy, trạng thái chảy rối

• khi dòng chảy đang ở trạng thái rối hoàn toàn , nếu giảm dần lưu lượng, thì đến 1 giời hạn nào đó thì trạng thái chảy tầng sẽ đươc thiết lập, và dòng nước chuyển sang chế độ chảy tầng

• lưu tốc ứng với dòng chảy chuyển từ trạng thái chảy tầng sang chảy rối, gọi là lưu tốc phân giới trên, kí hiệu Vktren; ứng với trạng thái chảy rối qua tầng gọi là lưu tốc phân giới dưới , kí hiệu Vkduoi

Qua thực nghiệm ta thấy Vktren>Vkduoi

• như vậy sự chảy tầng hay rối của chất lỏng phụ thuộc vào tốc độ của dòng chảy và được phân biệt thành các trạng thái chảy, để đánh giá người ta dựa vào đại lượng không thứ nguyên được gọi là chế

độ chuẩn số đồng dạng Reynold, kí hiệu Re

v – vận tốc trung bình của dịng chảy – khối lượng riêng của mơi trường chất lỏng

– độ nhớt tuyệt đối của chất lỏng – đường kính tương đương của tiết diện chảy d= 4R – bán kính thủy lực

– độ nhớt tương đương

• trong thực tế , khi phân tích trạng thái chảy, để đảm bảo chắc chắn

là dịng chảy tầng người ta dung Regh=2320 làm tiêu chuẩn :

 khi dịng chảy cĩ Re ≤ 2320 thì dịng chảy ở trạng thái chảy tầng

 khi dịng chảy cĩ Re > 2320 thì dịng chảy ở trạng thái chảy rối

• mục đích:

- quan sát kỹ trạng thái chảy và phân biệt chúng

- đo đạc và tính các đại lượng xác định rõ chế độ chảy

2 trình tự thí nghiệm:

E

VII

ống Reynold

IX

Mực màu

sơ đồ thí nghiệm Reynold

- mở từ từ van VII để dịng chảy được thiết lập ở ống Reynold

- Mở van IX và điều chỉnh dịng chảy màu đủ quan sát

- Khi dịng chảy đã thẳng dùng ca cân lấy 1 khối lượng nước ứng với 1 thời gian bất kỳ, ( để xác định lưu lượng)

- Điều chỉnh van VII và quan sát dòng mực ứng với 2 trường hợp vận tốc dòng chảy tăng dần và vận tốc của dòng chảy giảm dần

3 Kết quả thí nghiệm:

Thể hiện trong bảng 2 (kết quả thí nghiệm bài 2)

4 Nhận xét và kết luận:

- Nhiệt độ của nước trong phòng thí nghiệm luôn ổn định ở 280

C

- Theo quan sát bằng mắt thường các trường hợp 1 và 4 là chảy tầng, còn 2 trường hợp 2,3 là chảy rối.nhưng trong quá trình thí nghiệm

và tính toán ta lại thấy cả 4 trường hợp là chảy tầng Re ≤ 2320 chứng tỏ có sai sót trong quá trình thí nghiệm, xuất hiện sai số

trong quá trình đo, cân và tính toán…

- Để hạn chế sai sót và sai số cần thực hiện thí nghiệm nhiều lần, trong quá trình tính toán cần cẩn thận hơn nữa, thời gian thực hiện

thí nghiệm cần kéo dài hơn để có độ chính xác cao hơn

BÀI 3 : TỔN THẤT DỌC ĐƯỜNG

(Tốn Thất do ma sát)

1 Cơ sở lý thuyết:

• Do có tính nhớt nên dòng chảy của chất lỏng trong ống dẫn sinh ra tổn thất năng lượng và được gọi là tổn thất ma sát.( tổn thất theo

chiều dài hay tổn thất dọc đường)

• Tổn thất dọc đường tính theo công thức:

• Tổn thất dọc đường là 1 số hạng trong phương trình Becnulli biểu

diễn trên đoạn ống giữa hai mặt cắt (1-1) và (2-2)

• Hệ số phụ thuộc vào chế độ chảy của nước trong ống, trong vùng

chảy rối, nó phụ thuộc vào độ nhám trong của bề mặt ống dẫn

- Trong vùng chảy tầng (Re< 2320) thì

- Trong vùng chảy rối (Re = 4000 ÷ 100000) thì

- Trong vùng chảy rối ( công thức Nicuratson 1933):

• Mục đích:

- Quan sát tổn thất dọc đường

- Tính hệ số ma sát thực tế, so sánh với ma sát lý thuyết

2 Trình tự thí nghiệm:

Mở van VIII để nước chảy vào ống

1

1

2 2

H2

H1

L

- Đợi 5 phút cho nươc chảy ổn định trong ống rồi đo lưu lượng của dòng chảy trong ống bằng cách lấy thể tích chia cho thời gian

- Đo thế năng của dòng chảy tại mặt cắt (1-1) và (2-2)

- Mở van VIII lần thứ 2 để thay đổi lưu lượng nước chảy trong ống và tiếp tục thí nghiệm như đã làm ở lần mở van ban đầu

3 Kết quả thí nghiệm:

Kết quả được thể hiện trong bảng 3 (kết quả thí nghiệm bài 3)

4 Nhận xét và kết luận:

- Trong quá trình thí nghiệm,ta thấy trong cùng điều kiện nhiệt

độ, lưu lượng, mực nước trong bồn chứa nước không đổi trong quá trình thí nghiệm.cột nước H1 cao hơn cột nước H2

- điều này chứng tỏ trong quá trình nước chuyển động từ H1 sang

H2 dòng nước có sự tiêu hao năng lượng, đó là tổn thất dọc đường, do ma sát giữa các phân tử nước với nhau và giữa nước

và thành ống

- Hệ số ma sát trong tính toán lớn hơn khá nhiều so với ma sát thực tế.có sai số lớn như vậy, là trong quá trình thí nghiệm cân

đo khối lượng nước chưa chính xác, lưu lượng nước tính theo thời gian phụ thuộc quá nhiều vào thời gian và khối lượng

- Để tránh sai số trong quá trình thí nghiệm chúng ta cần thực hiện thí nghiệm nhiều lần

BÀI 4 : TỔN THẤT CỤC BỘ

1 Cơ sở lý thuyết:

• Khi dòng chảy thay đổi về phương và trị số tốc độ thì gây ra tổn

thất năng lượng người ta gọi là tổn thất cục bộ

• Tổn thất cục bộ thường được tính theo công thức Vetsbatso

V – tốc độ trung bình của dòng chảy trước và sau nơi tốn thất cục bộ, tùy theo cách lấy

• Trong phạm vi thay đổi cục bộ ( xem chiều dài vùng tổn thất cục bộ không thay đôi), nếu đặt :

:tổng năng lượng ở mặt cắt trước

:tổng năng lượng ở mặt cắt sau

Vt : vận tốc trước khi thay đổi mặt cắt

Vs: vận tốc sau khi thay đổi mặt cắt

• Khi dòng chảy mở rộng đột ngột từ ( 4-2) ta có:

3

4

4 3

Và hệ số trở lực :

là tiết diện trước và sau khi mở rộng độ ngột

• Khi dòng chảy co hẹp đột ngột từ (4-2) , ta có:

Và hệ số trở lực:

là tiết diện trước và sau khi mở rộng độ ngột

• Mục đích:

- Tính hệ số tổn thất cục bộ từ thí nghiệm thực tế

- Đánh giá kết quả tính toán hệ số tổn thất cục bộ do mở rộng

và co hẹp đột ngột

2 Trình tự thí nghiệm:

3

3

6

6

4

4

5

5

H3

H6

- Đo lưu lượng nước bằng phương pháp thể tích Tính thể tích nước chảy trong 1 thời gian nhất định rùi tính ra lưu lượng của dòng chảy

- Đo cột áp H3,H4, H5,H6

- Tính V3, V4 ,V5 ,V6

và

3 Kết quả thí nghiệm:

Kết quả được thể hiện trong bảng 4 (kết quả thí nghiệm bài 4)

4 Nhận xét và kết luận:

- Qua thí nghiệm về tổn thất cục bộ ta tính toán được tổn thất cục bộ

do mở rộng và co hẹp đột ngột thực tế

- Theo tính toán ta có hệ số trở lực của tổn thất cục bộ do co hẹp và

mở rộng là những hằng số, do đường kính ống d3 = d6 Và d4 = d5

.nhưng trong thực tế thì hệ số tổn thất cục bộ không phải là hằng

số, qua thí nghiệm tính toán ta thấy hệ số trở lực trên thực tế luôn luôn lớn hơn hệ số trở lực trong tính toán

- Hệ số trở lực co hẹp có giá trị sai số rất lớn, sai số lớn như vậy là

do có sự sai sót trong thí nghiệm và thực hiện tính toán nhất là giá trị vận tốc của sự thay đổi mặt cắt

- Hệ số trở lực mở rộng có giá trị sai số, nhưng không lớn hơn sai số của hệ số trở lực co hẹp

- Để tránh sai số chúng ta nên cẩn thận thực hiện thí nghiệm nhiều lần để xác định V trước và sau thay đổi tiết diện

BÀI 5: CHẢY QUA LỔ VÀ VÒI

1 Cơ sở lý thuyết:

Dòng chảy qua lổ:

- Định nghĩa lỗ

- Điều kiên chảy: thùng không nắp chảy vào không khí

- Quỹ đạo dòng chảy

x = Vc t ;y =

: hệ số co hẹp

:tiết diện chảy tại mặt cắt co hẹp

: tiết diện lỗ

H : khoảng cách từ bề mặt thoáng đến tâm lỗ

Lỗ nhỏ : e ≤ H/10 Viết phương trình Becnulli cho mặt cắt (0-0) và (C-C), ta rút ra:

Khi H = const

Vc= V=

:hệ số lưu tốc qua lỗ hệ số tổn thất dòng chảy qua lỗ

V: tốc độ trung bình dòng chảy qua lỗ

- Lưu lượng dòng chảy qua lỗ:

: hệ số lưu lượng của dòng chảy qua lỗ

(do V0 qua nhỏ)

Dòng chảy qua lỗ:

- vòi là đoạn ống ngắn , có chiều dài từ (3÷4)d (d là đường kính

ống)

- tại mặt cắt co hẹp của vòi có chân không điều này làm cho trong

- lưu lượng chảy qua vòi tính theo công thức tương tự chảy qua

lỗ, như vậy hệ số lưu lượng có dạng:

mục đích:

- qua sát vẻ quỹ đạo dòng chảy qua lỗ và vòi vào không khí

- Xác định hệ số lưu lượng của dòng chảy qua vòi và lỗ

2 Trình tự thí nghiệm:

- Đo tọa độ x ,y của quỹ đạo dòng chảy qua khỏi lỗ và vòi theo thực tế

- Đo lưu lượng dòng chảy bằng cách xác định khối lượng và thời gian của 1 khối nước bất kỳ

3 Kết quả thí nghiệm:

Kết quả được thể hiện trong bảng 5 (kết quả thí nghiệm 5)

4 Nhận xét và kết luận:

x

1

4

6

7

8

11

13

16

X²=3.76.H.y

- Chọn chiều dương hướng xuống trùng với chiều đi của quỹ đạo

dòng chảy

- Theo biểu đồ quỹ đạo dòng chảy qua lỗ, ta thấy quỹ đạo dòng chảy qua lỗ theo thực tế khá giống với quỹ đạo dòng chảy qua lỗ theo lý

thuyết

- Dòng chảy qua lỗ theo thực tế thấp hơn theo lý thuyết, sai số xuất hiện trong quá trình đọc số, quan sát và đánh dấu vị trí lấy điểm.sai số

này do chủ quan có thể khắc phục bằng cách quan sát kỹ, lấy điểm và đọc giá trị chính xác

1

4

6

8

10

20

26

Y Qũy đạo dòng chảy qua vòi

thực tế

- Theo quỹ đạo dịng chảy qua vịi, ta nhận thấy dịng chảy qua vịi thực tế chênh lệch khơng nhiều so với lý thuyết, điểm chênh lệch lớn nhất là điểm rơi cuối cùng, sai số cĩ thể do quan sát chưa chính xác, đánh dấu và lấy điểm khơng đúng…khắc phục bằng cách quan sát kỹ hơn, cần xác định vị trí chính xác hơn

Kết luận:

Dịng chảy qua lỗ cĩ quỹ đạo nhỏ hơn dịng chảy qua vịi, nguyên nhân là

do lực dính, lực căng bề mặt của dịng chảy qua vịi lớn hơn qua lỗ

Nhận xét chung:

- Em chân thành cảm ơn thầy Trần Minh Tùng đã dành thời gian trực tiếp

giảng dạy và hướng dẫn chúng em thực hiện các thí nghiệm thủy lực

- Cảm ơn phịng thí nghiệm 003 đã tạo điều kiện cho chúng em học và thực

hiện thí nghiệm