Báo cáo thí nghiệm môn cơ học chất lưu thí nghiệm bài 1 Đo Áp suất và tính tốc Độ dòng chất lưu

THÍ NGHIỆM CƠ HỌC CHẤT LƯUphần chất lỏng Bài 1: XÁC ĐỊNH CHẾ ĐỘ CHẢY CỦA CHẤT LỎNG TRONG ỐNG sự tồn tại hai chế độ chảy: - Chế độ chảy trong đó các phân tố chất lưu chuyển động thành từn

ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

TRƯỜNG CƠ KHÍ KHOA NĂNG LƯỢNG NHIỆT

Ghi chú:

f: chất lưu; m: Môi chất; t: toàn phần; s: tĩnh; V1, V2: van chặn; MN: Máy thổi khí; BC1: bình góp; BC2 : ống khí động; P1, P2: áp kế

Họ và tên:……….………….………;Lớp……… ……; Ngày TN ; Khóa……….;Nhóm……… ………… ; Mã số sv:… … ……….……

THÍ NGHIỆM CƠ HỌC CHẤT LƯU

(Phần khí)

Lưu ý: *An toàn trong khi làm thí nghiệm (cả người và thiết bị).

* Áp suất trong bình góp BC1: p  0.1bar.

A THÍ NGHIỆM Bài 1: ĐO ÁP SUẤT VÀ TÍNH TỐC ĐỘ DÒNG CHẤT LƯU

I NHIỆM VỤ

- Xác định áp suất động của dòng lưu chất trong bình

- Xác định vận tốc dòng lưu chất chuyển động trong bình

II SƠ ĐỒ THÍ NGHIỆM

Hình 1: Đo áp suất động và tốc độ dòng

III TRÌNH TỰ TIẾN HÀNH THÍ NGHIỆM:

1 Bật máy máy thổi khí (Blower) để đưa khí vào bình góp BC1 Lưu ý: Mở van xả trên bình góp BC1 để duy trì áp suất trong bình <0.1 bar

2 Mở hoàn toàn van V2, sau đó mở từ từ van V1 Duy trì áp suất BC2 trong khoảng 0.01-0,07 bar

3 Ghi các thông số tại các ống 4, 5:

No h4 (mm) ht (mm) h5 (mm) hs (mm) hđ (mm) c (m/s) 1

2

3

4

5

6

* Phương pháp tính toán:

Sử dụng phương trình cân bằng cột áp:

- Trong ống P4: pt + γf hf1 = pa + γm ht

- Trong ống P5: ps + γf hf2 = pa + γm hs

hf1 =hf2

c2

Áp suất động sẽ là: p d  p t  p s   m (h t  h s ) 

2g f

Tốc độ dòng chất lưu :

c 

IV KẾT LUẬN

………

………

………

………

………

………

………

………

f



2g m (h  h )

Bài 2: CHỨNG MINH ĐỊNH LUẬT PASCAL VỀ PHÂN BỐ ÁP SUẤT

I NHIỆM VỤ

- Xác định biến thiên áp suất trong BC2

- Xác định phân bố áp suất trong BC2 ứng với quá trình biến thiên áp suất trong BC2, chứng minh định luật Pascal;

II MÔ HÌNH THÍ NGHIỆM

Hình 2: Xác định phân bố áp suất

III TRÌNH TỰ THÍ NGHIỆM

- Bật máy máy thổi khí (Blower) để đưa khí vào bình góp BC1 Lưu ý: Mở van

xả trên bình góp BC1 để duy trì áp suất trong bình <0.1 bar

- Đóng các van V1, V2 Sau đó mở các van VP1, VP2, VP3, VP6, VP7 Từ từ

mở van V1 để duy trì áp suất trong BC2 ở một giá trị thí nghiệm nhất định(trong khoảng từ 0.01- 0,07 bar) Sau đó đóng nhanh van V1 rồi đọc các giá trịcột áp ở P1, P2, P3, P6, P7 Ghi số liệu vào bảng

3

4

5

6

* Xử lý kết quả: So sánh các kết quả đo áp suất ở các vị trí khác nhau ΔHi = Hi – Hi’;

Pi = ΔHi γm; (γm là trọng lượng riêng của môi chất trong ống)

IV KẾT LUẬN

………

………

………

………

………

………

………

………

Bài 3: THÍ NGHIỆM CHẤT LƯU CHẢY TRONG ỐNG PHUN

I NHIỆM VỤ

- Xác định tốc độ dòng chất lưu sau ống phun

- Xác định lưu lượng dòng chất lưu qua ống phun

II MÔ HÌNH THÍ NGHIỆM

Hình 3 Ống phun hẹp dần

III TRÌNH TỰ THÍ NGHIỆM

- Bật máy máy thổi khí (Blower) để đưa khí vào bình góp BC1 Lưu ý: Mở van

xả trên bình góp BC1 để duy trì áp suất trong bình <0.07 bar

- Mở hoàn toàn van V2, V1 Mở các van VP3, VP4, VP5, VP6, VP7 Sau đókhép dần van V2 (duy trì áp suất BC2 trong khoảng từ 0.01-0.07 bar) Ở mỗigiá trị van V2 cố định khác nhau, đọc và ghi số liệu;

C 2 D 1

2

3

4

5

* Phương pháp tính: xác định tốc độ và lưu lượng qua ống phun

Ống phun hẹp dần:

i  i  C (T  T )  C T (1  T2 )

2 1 p 1 2 p 1

1 C2  Giả thiết số mũ k không đổi: Xác định tốc độ đầu ra: C2  Xét trường hợp C1=0 ; và trường hợp C1 tính theo bài thí nghiệm 1 Xác định lưu lượng dòng chất lưu: IV KẾT LUẬN ………

………

………

………

………

………

………

………

(Ghi chú cho : k=……….; t 1 = ……… 0 C; d= mm) 1 2 1 2(i  i )  C 2 1 1 p 1 1 p p v [1  ( 2 ) k ]  C 2 k

 1

k

k  1 2

T

THÍ NGHIỆM CƠ HỌC CHẤT LƯU

(phần chất lỏng) Bài 1: XÁC ĐỊNH CHẾ ĐỘ CHẢY CỦA CHẤT LỎNG TRONG ỐNG

sự tồn tại hai chế độ chảy:

- Chế độ chảy trong đó các phân tố chất lưu chuyển động thành từng lớp riêng rẽ,không xáo trộn lẫn nhau gọi là chế độ chảy tầng

- Chế độ chảy trong đó các phân tố chất lưu chuyển động hỗn loạn, xáo trộn vàonhau gọi là chế độ chảy rối

Trạng thái dòng chảy được xác định qua một tổ hợp không thứ nguyên – gọi là sốReynolds (số Re):

MÔ TẢ THIẾT BỊ THÍ NGHIỆM

Thiết bị thí nghiệm được biểu diễn trên hình vẽ 1 Nước được cấp qua vancấp vào bình điều tiết A và sẽ chảy qua ống thí nghiệm Reynolds 3 (ống thủy tinhtrong suốt để dễ dàng quan sát trạng thái chảy) sang bình điều tiết B Ở các bìnhđiều tiết A và B mực nước được duy trì ổn định Nước màu được đổ vào bình chứa

1 Khóa 2 được dùng để điều chỉnh lưu lượng nước màu chảy từ bình chứa 1 quaống 3 Dùng van 4 điều chỉnh vận tốc dòng chảy qua ống 3 để có các trạng thái

chảy khác nhau trong ống thí nghiệm Reynolds 3 và trên lưu lượng kế 5 sẽ hiện thị giá trị lưu lượng tương ứng với từng trạng thái chảy.

Hình 1 Sơ đồ thí nghiệm Reynolds

A, B Các bình chứa nước; 1 Bình nước màu; 2 Khóa bình nước màu; 3.Ống thí nghiệm Reynolds; 4 Van điều chỉnh lưu lượng; 5 Lưu lượng kế

TRÌNH TỰ THÍ NGHIỆM

1. Nghiên cứu cơ sở lý thuyết về các trạng thái chảy của dòng chất lỏng có ápchảy ồn định trong ống trụ tròn

2. Làm quen với thiết bị thí nghiệm và thiết bị đo

3. Mở van cấp để cấp nước cho các bình điều tiết A và B và đợi đến khi các bìnhđược cung cấp đủ nước để có thể tiến hành thí nghiệm Trong thời gian chờ đợithì pha nước màu và đổ vào bình chứa nước màu 1

4. Dùng nhiệt kế đo nhiệt độ của nước để xác định hệ số nhớt động học tươngứng

5. Mở khóa 2 và điều chỉnh lưu lượng nước màu đủ quan sát (nếu dòng nước màu

to, dòng nước màu sẽ bị lắng xuống, khó thực hiện thí nghiệm)

6. Mở van 4 để điều chỉnh vận tốc dòng chảy qua ống 3 từ bé đến lớn sao chodòng chảy ở trạng thái chảy tầng, chảy quá độ và chảy rối; rồi điều chỉnh vậntốc dòng chảy qua ống 3 từ vận tốc lớn về bé, tức là điều chỉnh trạng thái dòngchảy về quá độ và về chảy tầng (hình vẽ 2) Ghi lại giá trị lưu lượng trên lưulượng kế 5 tương ứng với từng trạng thái chảy mà ta quan sát được

7. Tiến hành thí nghiệm với ba đến năm chu kỳ tăng và giảm vận tốc qua ống 3

Hình 2 Hình ảnh dòng nước màu trong các trạng thái chảy

XỬ LÍ KẾT QUẢ THÍ NGHIỆM

Kết quả thí nghiệm trình bày vào trong bảng 1

1 Trạng thái dòng chảy (khi quan sát), các số liệu lưu lượng Qi và nhiệt độ của nước

t được ghi lại vào các cột [2], [3] và [5] tương ứng trong bảng 1

2 Ứng với mỗi giá trị lưu lượng Qi đo được ở cột [3] trong bảng 1 ta tính được vận tốc trung bình vi của dòng chảy theo công thức:

Trong đó d – đường kính tiết diện mặt cắt ống 3

3 Độ nhớt động học của nước ν được tính từ giá trị nhiệt độ của nước (mà ta đo được

ở cột [5] trong bảng 1) theo bảng 2 hoặc theo công thức Poise:

Trong đó t - nhiệt độ của nước, 0C Giá trị tính được cần điền vào cột [6] bảng 1

4 Tính trị số Re ứng với từng vận tốc vi rồi ghi lại vào cột [7] bảng 1

5 Từ các giá trị Re thu được ta ghi trạng thái dòng chảy tương ứng với nó vào cột[8]

Bảng 1- Kết quả thí nghiệm Reynolds

TT Trạng thái chảy

(quan sát)

Q(m3/s)

v (m/s)

T (oC) (m2/s)

6

7

8

9

10

Bảng 2- Độ nhớt động học của nước

t (oC) 0o 10o 20o 30o 40o 50o 60o 80o 100o n.107 (m2/s) 17,92 13,06 10,06 8,05 6,59 5,56 4,8 3,7 2,95

Nhận xét, đánh giá kết quả thí nghiệm:

So sánh trạng thái dòng chảy theo kết quả tính toán được (ở cột [8]) với trạng thái chảy mà ta quan sát khi làm thí nghiệm (ở cột [2]) rồi đưa ra nhận xét, đánh giá Nếu không có sự phù hợp thì chỉ rõ các nguyên nhân có thể có

………

………

………

………

………

………

………

………

………

Bài 2 – XÁC ĐỊNH CÁC THÀNH PHẦN TRONG PHƯƠNG TRÌNH

BERNOULLI

Mục đích: Vẽ đường năng và đường đo áp sau khi xác định các thành phần

trong phương trình Bernoulli bằng thí nghiệm

CƠ SỞ LÝ THUYẾT

Phương trình Bernoulli là phương trình năng lượng viết cho một đơn vị tronglượng chất lỏng Phương trình Bernoulli đối với toàn dòng chất lỏng thực, khôngnén được, chuyển động ổn định từ mặt cắt 1–1 đến mặt cắt 2-2 (hình vẽ 3) có dạng:

trong đó: – năng lượng vị trí của dòng chảy ở tâm mặt cắt ướt 1-1 và 2-2 so

với mặt chuẩn 0-0 bất kỳ được gọi là vị năng đơn vị hay độ cao hình học;

Hình 3 Sơ đồ dòng chảy qua đoạn ống có kích thước khác nhau

trong đó:

– trọng lượng riêng của chất lỏng;

– áp suất tại tâm mặt cắt 1-1 và 2-2;

– áp năng của một đơn vị trọng lượng chất lỏng do áp suất gây ra tại mặt

cắt 1-1 và 2-2, gọi là áp năng đơn vị hay độ cao đo áp;

MÔ TẢ THIẾT BỊ THÍ NGHIỆM

Thiết bị thí nghiệm được biểu diễn trên hình vẽ 4 Nước được cấp qua van cấp vào

bình điều tiết A và sẽ chảy qua ống thí nghiệm Bernoulli 1 sang bình điều tiết B.

Hình 4 Sơ đồ ống thí nghiệm Bernoulli

A, B Các bình chứa nước; 1 Ống thí nghiệm Bemoulli; 2 Van điều chỉnh lưu

lượng; 3 Lưu lượng kế; I, II, III, IV và V Các ống đo áp điều tiết B Ở các bình điều tiết A và B mực nước được duy trì ổn định Trên ống thí nghiệm Bernoulli 1

có gắn các ống đo áp I, II, III, IV và V tương ứng với 5 mặt cắt đã chọn Đườngkính của ống d1 = 2.6 cm ; d2 = 1.3 cm Dùng van 2 chiều điều chỉnh vận tốc dòng

chảy qua ống thí nghiệm Bernoulli 1, trên lưu lượng kế 3 sẽ hiển thị giá trị lưulượng tương ứng với từng vận tốc của dòng chảy.

4 Bật máy bơm nước

5 Điều chỉnh van V-2.1 để điều chỉnh lưu lượng nước đi qua ống venturi Khicác ống I, II, III, IV, V hết bọt khí và mực nước trong khoảng hiển thị, mở vanV-1.2 100%

6 Điều chỉnh V-2.1 đạt lưu lượng và ghi số liệu trên các cột I, II, III,

IV, V (ghi số liệu 3 lần sau mỗi 1 phút)

7 Tắt máy bơm Đóng van V-1.1

XỬ LÝ KẾT QUẢ THÍ NGHIỆM

1 Ghi các giá trị lưu lượng Qi hiển thị trên lưu lượn kế vào cột [2] của bảng 3

2 Ứng với mỗi giá trị lưu lượng Qi đo được nói trên ta tính được vận tốc trungbình vi của dòng chảy tại các mặt cắt tương ứng theo công thức:

trong đó d - đường kính tiết diện mặt cắt của ống d1 = 26mm và d2 = 13mm.Ghi các giá trị tính được vào cột [3] của bảng 3

3 Từ các giá trị vi vừa tìm được ta tính các thành phần của phương trình

Bernoulli (ở đây, ta lấy = 1) Ghi các giá trị vào các cột [4], [7], [11],[15] và [19] tương ứng của bảng 3

4 Theo cao độ của các ống đo áp I, II, III, IV và V ta xác định được trị số

tại các mặt cắt tương ứng (xem hình vẽ 4) (Nếu chọn mặt chuẩn đi quatrục của ống thì ta có zi = 0) Ghi các giá trị vừa tìm được vào các cột [5], [8],[12], [16] và [20] tương ứng của bảng 3

5 Các giá trị tổn thất cột áp ở các cột [9], [13], [17] và [21] trong bảng 3 đượctính từ phương trình Bernoulli (Ví dụ cần tính ở cột [9] ta sẽ lấy tổng giá trị cột [7] và cột [8] trừ đi tổng giá trị cột [4] và cột [5])

6 Từ số liệu ở bảng 3 và sơ đồ ống thí nghiệm Bernoulli (trên hình vẽ 4) vẽđường năng và đường đo áp

Bảng 3 Kết quả thí nghiệm các thành phần trong phương trình Bernoulli

TT Q

(m/s2)

v1 (m/s) (m)

v2

v3 (m/s) (m)

α4

(m)

z4 + (m) (m)

v5 (m/s)

α5

(m)

z5 +

(m) (m)[1] [12] [13] [14] [15] [16] [17] [18] [19] [20] [21]1

 Để kết quả thí nghiệm có độ chính xác cao cần điều chỉnh van 2 sao cho dòng chảy qua ống Bernoulli là dòng chảy rối

NHẬN XÉT, ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ THÍ NGHIỆM

So sánh tính đúng đắn của các đường năng và đường đo áp vẽ theo kết quả thí nghiệm với lý thuyết

………

………

………

………

………

………

………

………

………

Giá trị bao gồm tổn thất thủy lực dọc đường hd, tổn thất thủy lực cục bộ hc:

Tổn thất thủy lực dọc đường hd cho dòng chảy đều trong ống tròn, theoDarcy, có thể được xác định theo công thức sau:

trong đó: – chiều dài đoạn dòng chảy, m; d – đường kính ống, m; v – vận tốctrung bình của dòng chảy, m/s; g – gia tốc trọng trường, m/s2; – hệ số sức cảndọc đường (hệ số ma sát)

Hệ số ma sát phụ thuộc vào trạng thái dòng chảy của chất lỏng (tức là Re)

và đặc trưng hình học của ống dẫn, cụ thể là độ nhám tương đối của thành ống

nhám của ống (với - độ nhô của mặt nhám và d – đường kính trong củaống) Một cách tổng quát, ta có:

Mối quan hệ được Moody biểu diễn dưới dạng đồ thị ( - đồ thịMoody, hình vẽ 5) và đồ thị này chỉ đúng cho ống thép tròn

Phân tích đồ thị Moody, ta có thể chia nó thành 5 khi vực sau:

Khu vực 1 – khu vực chảy tầng (Re )

Hệ số ma sát chỉ phụ thuộc vào Re mà không phụ thuộc vào (đoạn thẳng

Hoặc có thể sử dụng công thức Bladius cho dải Re < 105

Khu vực 3 – Khu vực chảy rối ống trơn thủy lực.

Hệ số ma sát chỉ phụ thuộc vào Re mà không phụ thuộc vào (Quy luậtbiến thiên tương ứng với đoạn thẳng CD trên hình vẽ 5) Một số công thức thựcnghiệm:

-Công thức Bladius khi Re 105:

-Công thức Cônacốp khi 4000 < Re < 3.106:

Khu vực 4 – khu vực chảy rối trước bình phương sức cản, hoặc không hoàn

toàn thành nhám (20 < Re < 500 )

Khu vực giữa đoạn thẳng CD và đoạn thẳng EF trên hình vẽ 5 Trong khu vựcnày hệ số ma sát phụ thuộc vào Re và phụ thuộc vào , có thể sử dụng côngthực Altsul để tính :

Trị số của các loại ống khác nhau được cho ở phụ lục 3

Khu vực 5 – khu vực chảy rối thành nhám hoàn toàn, hay khu vực bình

phương sức cản (Re > 500 ) Khu vực nằm bên phải đoạn thẳng EF

Trong khu vực này hệ số ma sát chỉ phụ thuộc vào mà không phụ thuộc vàoRe

Một số công thực để xác định trong miền này:

- Công thức Prandtl – Nicuradse:

- Công thức Shifrinson (nhận được từ công thức Altsul khi Re ):

MÔ TẢ THIẾT BỊ THÍ NGHIÊM

Thiết bị thí nghiệm được biểu diễn trên hình vẽ 6 Nước được cấp qua van cấp

vào bình điều tiết A và sẽ chảy qua ống thí nghiệm tổn thất thủy lực dòng đường 1 (đường kính d = 1,5 cm) sang bình điều tiết B Ở các bình điều tiết A và B mực

nước được duy trì ổn định Trên ống thí nghiệm này có gắn các ống đo áp I và IItương ứng với hai mặt cắt 1-1 và 2-2 đã chọn Khoảng cách giữa hai ống đo áp này

là = 60 cm Dùng van 2 điều chỉnh vận tốc dòng chảy qua ống thí nghiệm tổnthất thủy lực dọc đường 1, trên lưu lượng kế 3 sẽ hiển thị giá trị lưu lượng tươngứng với từng vận tốc của dòng chảy

Hình 6 Ống thí nghiệm tổn thất thủy lực dọc đường

TRÌNH TỰ THÍ NGHIỆM

1 Nghiên cứu cơ sở lý thuyết về tổn thất thủy lực dọc đường đối với dòng chảyđều trong ống

2 Làm quen với thiết bị thí nghiệm và thiết bị đo.

3 Kiểm tra đảm bảo tất cả các van đều ở trạng thái đóng 100%

4 Mở van V-2 100% và van V-0.0 100% ở phía sau thiết bị Van thoát V-0.1

và van thông V-0.2 mở 100% Mở các van V-1.1, V-4.1, V-5.1 V-6.1

- Đo trở lực đường dài:

a/ Mở van V-4.1 và điều chỉnh lưu lượng bằng van V-2 Khóa van V-0.1 vàV-0.2 khi đảm bảo cột nước trong 2 ống đo áp bằng nhau Cắm 2 đầu đo vào

vị trí 2 van V-4.2 và V-4.3

b/ Ghi lại giá trị chênh lệch giữa 2 cột đo áp

c/ Khóa van V-4.2 và V-4.3 Rút các đầu nối ra khỏi van Mở van V-2100%, đóng van V-4.1 lại và kết thúc thí nghiệm

- Đo trở lực qua van: Tương tự như đo trở lực đường dài

v (m/s) (m2/s) Re

h1 (mm)

h2 (mm)

h (mm)

Ghi các giá trị tính được vào cột [4] của bảng 4.

3 Độ nhớt động học của nước ν được tính từ giá trị nhiệt độ của nước (xem bài thí nghiệm 1) và được ghi lại vào cột [5] của bảng 4

4 Tính số Re ứng với từng vận tốc vi rồi ghi lại vào cột [6] của bảng 4

5 Độ cao h1, h2 của các ống đo áp I và II được điền vào các cột [7] và [8] tương ứng trong bảng 4

6 Từ các giá trị ở cột [7] và [8] ta tính độ chênh cột áp h = h1 – h2 rồi ghi lại vào cột [9] của bảng 4

7 Hệ số sức cản dọc đường (được tính toán từ các kết quả thí nghiệm) sẽ được tính theo công thức:

trong đó tổn thất dọc đường hd = h Ghi các giá trị tìm được này vào cột [10] của bảng 4

8 Hệ số sức cản dọc đường lý thuyết được tính theo công thức tương ứng với từng khu vực trong đồ thị Moody (căn cứ vào số Re ở cột [6]) Ghi các giá trị tìm được này vào cột [11] của bảng 4

9 Từ kết quả ở bảng 4 vẽ đồ thị sự phụ thuộc

NHẬN XÉT, ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ THÍ NGHIỆM

- So sánh các giá trị hệ số sức cản dọc đường tính theo thực nghiệm và tính theo lý thuyết

- Từ các kết quả so sánh trên nêu nhận xét, đánh giá

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………