Ứng với mỗi chế độ mở của van 7 tiến hành ghi nhận các thông số sau vào bảng 1: Thí nghiệm 2: Thiết lập giản đồ f theo Re cho các ống có đường kính khác nhau A, B, C, D - Cho nước chảy
MỤC TIÊU THÍ NGHIỆM
Khảo sát sự chảy của nước trên mô hình hệ thống thí nghiệm với các trường hợp cụ thể:
- Nước chuyển động trong ống dẫn với đường kính khác nhau;
- Nước chuyển động qua lưu kế màng chắn/venturi;
- Nước chuyển động qua van với độ mở khác nhau.
CƠ SỞ LÝ THUYẾT
Các công thức tính toán sử dụng:
- Trọng lượng riêng của nước: γ = ρ.g
- Tỷ số giữa đường kính cổ Venturi hay đường kính lỗ màng chắn trên đường kính ống: 2
- Tính lưu lượng qua màng chắn hay Venturi: Q W
= t (L/s), W là thể tích nước qua màng chắn hay venturi, t là thời gian
- Vận tốc qua màng chắn và Venturi: Q( / )
- Chuẩn số reynold: Re Vd
- Hệ số ma sát trong ống: 2 d
= , là trở lực theo độ mở
THIẾT BỊ VÀ PHƯƠNG PHÁP THÍ NGHIỆM
Thiết bị
Hình 3 1 Sơ đồ hệ thống thí nghiệm mạch lưu chất Bảng 3 1: Chú thích hệ thống thí nghiệm mạch lưu chất
Van 1: Van ứng với ống 17 Van 2: Van ứng với ống 21
Van 3: Van ứng với ống 27 Van 4: Van ứng với ống 34
Van 5: Van ứng với ống 5 Van 6: Van ứng với van điều chỉnh áp kế của màng chắn và venturi
Van 7: Van ứng với van xả nước Van 8: Van ứng với van hối lưu nước bơm
Van 9: Van ứng với van cấp nước bình chứa Van 10: Van ứng với ống bơm nước
Phương pháp thí nghiệm
Bước 1: Kiểm tra và chuẩn bị hệ thống
- Kiểm tra mực chất lỏng trong bình Sử dụng van 9 để cấp nước vào bình chứa ở mực chất lỏng thích hợp
- Để van tuần hoàn 8 mở cố định 1/3 trong suốt quá trình thí nghiệm Mở công tắc nguồn và kiểm tra hoạt động của bơm
Bước 2: Hiệu chỉnh áp kế chữ U
Để đo độ giảm áp của màng chắn và venturi, cần đóng van 6, 7 và mở hoàn toàn van 4, 5, cũng như mở các van ở hai nhánh áp kế cần hiệu chỉnh Sau đó, khởi động bơm và từ từ mở van 6, sau đó khóa lại để kiểm tra mức nước trong hai nhánh cột áp kế màng chắn và venturi Nếu các cột chất lỏng bằng nhau trong từng nhánh, chúng ta có thể tiến hành thí nghiệm; nếu chưa bằng nhau, cần tiếp tục điều chỉnh bằng cách mở và đóng van 6.
- Đối với các cột áp kế van 5, ống 34, ống 27, ống 21, ống 17: cho dòng chảy qua các ống tương ứng và thao tác tương tự như với màng và venturi
Bước 3: Thực hiện thí nghiệm
Thí nghiệm 1: trắc định lưu lượng kế màng chắn và venturi
- Đóng van 6, 7; mở hoàn toàn van 4, 5; mở các van ở 2 nhánh áp kế màng chắn và venturi
Chúng tôi đã điều chỉnh lưu lượng dòng chảy thông qua việc thay đổi độ mở của van 7 ở các chế độ khác nhau (mở hoàn toàn, ẳ, ẵ, ắ) Đối với mỗi chế độ mở của van 7, các thông số tương ứng đã được ghi nhận và trình bày trong bảng 1.
Thí nghiệm 2: Thiết lập giản đồ f theo Re cho các ống có đường kính khác nhau A, B, C, D
- Cho nước chảy vào đầy bình chứa, sau đó lần lượt hiệu chỉnh lại các áp kế chữ
- Khóa van 6, 7; mở hoàn toàn van 5
- Ứng với thí nghiệm cho ống A/B/C/D thì ta mở hoàn toàn van 4/3/2/1 tương ứng
Thay đổi lưu lượng dòng chảy trong các ống A, B, C, D thông qua việc điều chỉnh độ mở của van 6 ở các chế độ khác nhau (mở hoàn toàn, ẳ, ẵ, ắ) Mỗi chế độ sẽ tương ứng với việc xác định độ giảm áp của màng chắn và các ống A, B, C, D.
Thí nghiệm 3: Xây dựng đặc tuyến van, xác định chiều dài tương đương (Ltd)
Thay đổi độ mở của van 5 theo bốn chế độ: mở hoàn toàn, ắ, ẵ, và ẳ Mỗi chế độ mở van 5 sẽ tương ứng với việc sử dụng van 6 để điều chỉnh lưu lượng dòng chảy.
7 giống thí nghiệm 2 Ứng với mỗi độ mở của van 6 ta ghi nhận thông số thí nghiệm (độ giảm áp của màng chắn và của van 5) vào bảng 3.
XỬ LÝ SỐ LIỆU THÔ
Số liệu thô
- Khối lượng riêng của nước: ρ = 996.2 kg/m 3
- Trọng lượng riêng của nước: γ = ρ*g = 996.2 × 9,81 = 9772.72 N/m 3
- Độ nhám e = 0.000005 Đường kính màng chắn, Venturi: d1 = 0,040 m, d2 = 0,017
Bảng 4 1: Số liệu thô của thí nghiệm 1
Chế độ W (lít) T (s) ∆P m /𝜸 (cmH 2 O) ∆P v /𝜸 (cmH 2 O)
Bảng 4 2: Số liệu thô của thí nghiệm 2
Chế độ mở van ΔP m /𝜸 (cmH 2 O) ΔP A /𝜸 (cmH 2 O) Ống A, chiều dài L = 1m, d)mm ẳ 0.6 0.1 ẵ 3.6 0.3 ắ 6.5 0.7
Hoàn toàn 10.8 1.2 Ống B, chiều dài L = 1m, d"mm ẳ 0.6 0.4 ẵ 4.3 2.3 ắ 8.4 4.1
Hoàn toàn 8.6 4.5 Ống C, chiều dài L = 1m, d= 17mm ẳ 0.7 1.4 ẵ 3.1 7.7 ắ 6.2 13.2
Hoàn toàn 7.3 15.3 Ống D, chiều dài L = 1m, d.5mm ẳ 0.8 3.6 ẵ 2.3 10.8 ắ 3.2 16.5
Bảng 4 3: Số liệu thô của thí nghiệm 3 Van 5 Van 6 ΔP m /𝜸 (cmH2O) ΔP v5 /𝜸 (mH2O)
Xử lý số liệu thô
Xét trường hợp chế độ mở hoàn toàn:
- Tiết diện venturi và màng chắn:
- Tỷ số giữa đường kính cổ Venturi hay đường kính lỗ màng chắn trên đường kính ống:
- Tính lưu lượng qua màng chắn hay Venturi:
- Vận tốc qua màng chắn và Venturi:
Bảng 4 4: Số liệu đã xử lý ở thí nghiệm 1
Hình 4 1 Đồ thị mối tương quan của Q với Cm và Cv
Hình 4 2 Đồ thị biểu diễn hệ số lưu lượng Cm và Cv theo Re
Xét ví dụ với ống A: d = 0,029 m
Xét trường hợp chế độ mở van hoàn toàn:
- Dựa vào giản đồ của ta được phương trình sau:
- Thay giá trị ΔPm vào phương trình trên ta thu được các giá trị của Q:
- Thừa số ma sát trong ống A:
1×0,434 2 = 0.03624923 (với L = 1 m: chiều dài của ống)
Tương tự như vậy ta tính được với các chế độ mở khác của van theo ống A và theo các ống B (d = 22 mm), ống C (d = 17 mm) và ống D (d = 13,5mm)
Bảng 4 5: Số liệu đã xử lý ở thí nghiệm 2 Ống A Chế độ mở van
Hình 4 3 Thừa số ma sát f theo Re ở ống A
Hình 4 4 Thừa số ma sát f theo Re ở ống B y = 3E-12x 2,4368 R² = 0,9247
Thừa số ma sát f theo Re ở ống A y = 5E-15x 2,9615 R² = 0,8738
Thừa số ma sát f theo Re ở ống B
Hình 4 5 Thừa số ma sát f theo Re ở ống C
Hình 4 6 Thừa số ma sát f theo Re ở ống D
4.2.3 Thí nghiệm 3 Ở chế độ van 5 mở hoàn toàn và van 6 mở hoàn toàn:
Dựa vào giản đồ Q của thí nghiệm 1 ta được:
Thừa số ma sát f theo Re ở ống C y = 6E-36x 7,1937 R² = 0,9859
Thừa số ma sát f theo Re ở ống D
0,000842 = 48858.75914 Dựa vào đồ thị biểu diễn mối quan hệ của Re và f: y= 6×10 -36 x 7.1937 Với y là f và x là Re
Tại Re = 48858.75914 => f = 0.032284676 Chiều dài ống:
Bảng 4 6: Hệ số ξ theo độ mở van Độ mở HT 3/4 1/2 ẳ
Bảng 4 7 Số liệu đã xử lý ở thí nghiệm 3
Hình 4 7 Đồ thị lưu lượng lượng Q theo một số độ mở van Đặc tuyến riêng và đặc tuyến van gắn vào mạng ống này:
Từ đồ thị ta có các phương trình tương ứng sau:
Bảng 4 8: Số liệu từ phương trình Độ mở Q (m 3 /s) Q/Qmax
Hình 4 8 Đồ thị van đặc tuyến
Bàn luận
- So sánh hệ số lưu lượng giữa màng chắn và venturi
Qua đồ thị, lưu lượng dòng chảy của màng chắn và venturi cho thấy mức độ ổn định cao và tương đương nhau, nhưng áp suất giữa hai thiết bị có sự chênh lệch rõ rệt với Cm 4000 )
- Qua thí nghiệm ta thấy sự ảnh hưởng của chiều dài ống và đường kính của ống có sự ảnh hưởng đến hệ số ma sát f
Qua các thí nghiệm với các chế độ mở van khác nhau, chúng ta nhận thấy rằng vận tốc dòng chảy phụ thuộc vào hệ số ma sát và hằng số Reynolds (Re) Khi tốc độ dòng chảy tăng, hệ số ma sát cũng tăng, điều này được xác nhận qua số liệu thu thập Từ đó, có thể rút ra mối quan hệ tỷ lệ thuận giữa hằng số Re và hệ số ma sát f.
- Về lưu lượng Q theo độ mở của một vài áp suất: qua kết quả thí nghiệm ta thấy lưu lượng Q tăng dần khi độ mở van tăng dần
Chiều dài tương đương tỉ lệ nghịch với độ mở van, vì độ mở van ảnh hưởng đến khả năng cản trở dòng chảy Kết quả cho thấy chiều dài tương đương đạt giá trị nhỏ nhất khi van được mở hoàn toàn.
Đặc tuyến van có vai trò quan trọng trong việc ảnh hưởng đến tổn thất năng lượng và trở lực của hệ thống ống dẫn Theo lý thuyết, khi van mở hoàn toàn, tổn thất năng lượng sẽ ở mức thấp nhất, giúp tối ưu hóa hiệu suất của hệ thống.
Nhận xét quy luật thay đổi của các thông số trên giản đồ và so sánh với lýthuyết
So sánh hệ số lưu lượng màng chắn (Cm) và Venturi (Cv):
Lưu lượng dòng chảy thì vẫn ổn định chênh lệch không quá nhiều, tuy nhiên sự chênh lệch áp suất giữa màn chắn và Venturi khá cao
Màng chắn và venturi có cấu tạo khác nhau, với hệ số lưu lượng phản ánh tỷ lệ giữa vận tốc trung bình và vận tốc cực đại của dòng chảy Venturi có thiết kế cổ thắt dần, do đó vận tốc trung bình chỉ chênh lệch nhẹ so với vận tốc cực đại Ngược lại, màng chắn có cổ co hẹp đột ngột, dẫn đến vận tốc trung bình thấp hơn vận tốc cực đại, từ đó cho thấy Cm < Cv.
→ Kết quả thí nghiệm chứng minh kết quả trên là đúng
So sánh hệ số lưu lượng kế màng và Venturi:
Màng chắn thường gây ra suy hao áp suất tổng lớn hơn so với các phần tử đo lưu lượng khác, do đặc điểm co thắt đột ngột của nó, trong khi Venturi co hẹp dần Hệ số lưu lượng của Venturi cao hơn so với màng chắn Kết quả thí nghiệm cho thấy ∆Pm.
> ∆Pv Sử dụng lưu lượng kế Venturi sẽ cho kết quả chính xác hơn
Sự phụ thuộc của Cm và Cv theo Re:
Theo phương trình, hệ số lưu lượng tỷ lệ thuận với vận tốc dòng chảy và tỷ lệ nghịch với ∆P Khi Re tăng, ∆P cũng tăng, do đó, C sẽ thay đổi tùy thuộc vào mức độ tăng của Re và ∆P.
Nhận xét độ tin cậy của kết quả và các nguyên nhân sai số, đề xuất biện pháp giảm sai số
Một số dụng cụ cũ có thể không còn độ chính xác cao, hoặc có thể do quá trình sản xuất không hoàn hảo, như ống dây và van không chính xác.
- Tuỳ thuộc vào phương pháp đo lường, điều kiện đo lường, độ lớn của đại lượng đo và vào cá nhân người đo
- Sai số do góc nhìn đọc kết quả của từng người khác nhau
- Sai số do phần canh gốc 3/4, ẵ, ẳ khụng chớnh xỏc dẫn đến sai số nhiều
Nhận xét quy luật thay đổi của các thông số trên giản đồ và so sánh với lý thuyết
- Hệ số ma sát f theo Re: Hệ số ma sát f tùy thuộc vào chế độ chảy và độ nhám tương đối của thành ống dẫn Có 3 chế độ chảy:
• Chế độ chảy màng (Re < 2320)
• Chế độ chảy quá độ (2320 < Re < 4000)
• Chế độ chảy xoáy (Re 4000)
Chiều dài ống ảnh hưởng đến hệ số ma sát (f), và qua thí nghiệm, chúng ta nhận thấy rằng các đường kính ống dẫn khác nhau sẽ dẫn đến số Reynolds (Re) khác nhau Sự khác biệt này xuất phát từ độ nhám không đồng đều của ống, cũng như việc cặn bẩn tích tụ do máy móc hoạt động lâu ngày, gây ra tổn thất cột áp không chính xác.
Thừa số ma sát của chất lỏng phụ thuộc vào chế độ chảy và độ nhám của ống dẫn Biểu đồ cho thấy rằng khi đường kính ống khác nhau, số Reynolds (Re) cũng thay đổi; khi Re tăng, hệ số ma sát cũng tăng theo.
Để đánh giá độ tin cậy của kết quả, cần xem xét các nguyên nhân gây ra sai số và đề xuất các biện pháp nhằm giảm thiểu sai số Một trong những nguyên nhân chính là sự dao động liên tục của độ giảm áp suất, thường do lưu lượng không ổn định Việc cải thiện tính ổn định của lưu lượng sẽ góp phần giảm thiểu sai số và nâng cao độ tin cậy của các kết quả thu được.
Do nước bị rỉ dọc đường ống nên gây ra tổn thất năng lượng làm hao hụt trong quá trình đo
Do ống dẫn có đóng cặn, rỉ sét nên quá trình đo cũng không chuẩn xác
Việc đọc các giá trị tổn thất cột áp cần được thực hiện bằng mắt, tuy nhiên, độ mở của van có thể bị sai lệch do sự khác nhau trong cách thực hiện của người thí nghiệm qua các lần thử nghiệm.
Nhận xét quy luật thay đổi của các thông số trên giản đồ và so sánh với lý thuyết Lưu lượng tỉ lệ thuận với độ mở van
- Khi van mở càng lớn thì chiều dài tương đương càng nhỏ vì lực cản dòng chảy càng nhỏ
→ Từ thí nghiệm ta thấy chiều dài tương đương của van là nhỏ nhất khi van mở hoàn toàn là chính xác
Nhận xét độ tin cậy của kết quả và các nguyên nhân sai số, đề xuất biện pháp giảm sai số
- Nước bị rỉ dọc đường ống khiến lưu lượng chảy hao hụt, áp suất bơm và dòng chảy không đồng đều tuyệt đối trong mọi thời điểm
- Dùng mắt đọc kết quả không có tính chính xác tuyệt đối vì có sự chênh lệch liên tục
- Độ chớnh xỏc của độ mở van (HT, ắ, ẵ, ẳ) chỉ mang tớnh tương đối
Biện pháp giảm sai số cho cả 3 TN:
- Tiến hành đo và tính toán kết quả nhiều lần để khống chế sai số
- Bảo trì và kiểm tra đường ống thường xuyên
- Thường xuyên kiểm tra và hiệu chỉnh thiết bị đo
- Sử dụng đo điện tử cho kết quả chính xác hơn so với dùng mắt người đọc
- Sử dụng van chất lượng cao
- Sử dụng nguồn nước có độ tinh khiết cao, giảm tối thiểu lượng tạp chất
- Dựa trên giản đồ đo được đề nghị mục đích sử dụng của van
- Dùng kiểm soát lưu lượng chảy của dòng chất lỏng
- Xác định tổng thể tích cần tính, từ đó xác định công suất bơm, thời gian bơm giúp nâng cao năng xuất, hiệu quả của bơm
- Xác định hệ số ma sát, chế độ chảy của dòng để điều chỉnh phù hợp cho từng loại dung môi khác nhau
Nhận xét quy luật thay đổi của các thông số trên giản đồ và so sánh với lý thuyết
So sánh hệ số lưu lượng giữa Màng chắn (Cm) và Venturi (Cv):
Kết quả tính toán và đồ thị cho thấy Cm < Cv, điều này phù hợp với lý thuyết Cấu trúc của màng chắn và ống Venturi khác nhau: ống Venturi có cổ thắt dần đều, dẫn đến sự thay đổi vận tốc dòng chảy từ từ, trong khi màng chắn có cổ co hẹp đột ngột, gây ra sự thay đổi vận tốc mạnh Do đó, vận tốc trung bình của dòng chảy qua màng chắn thấp hơn đáng kể so với vận tốc cực đại, xác nhận rằng Cm < Cv.
- Hệ số lưu lượng kế Cm và Cv theo Re:
Theo phương trình 1-1, hệ số lưu lượng tỷ lệ thuận với vận tốc dòng chảy và tỷ lệ nghịch với ∆P Kết quả thí nghiệm cho thấy, khi chế độ mở giảm từ hoàn toàn xuống còn 2 vòng, hệ số Re giảm, dẫn đến ∆P giảm và làm cho Cm, Cv cũng giảm theo.
Nhận xét độ tin cậy của kết quả và các nguyên nhân sai số, đề xuất biện pháp giảm sai số
- Quá trình hiệu chỉnh áp kế chữ U cũng có thể gây ra sai số hệ thống
- Sai sót khi đọc các giá trị của chênh lệch áp suất, do ta nhìn bằng mắt thường nên có thể dẫn đến sai số
- Nước bị rỉ dọc đường ống khiến lưu lượng chảy hao hụt, áp suất bơm và dòng chảy không đồng đều trong mọi thời điểm