HỘI NGHỊ KHCN TỒN QUỐC VỀ CƠ KHÍ - ĐỘNG LỰC NĂM 2017 Ngày 14 tháng 10 năm 2017 Trường ĐH Bách Khoa – ĐHQG TP HCM KHẢO SÁT THỰC NGHIỆM PHƯƠNG PHÁP ĐO PROFIN VẬN TỐC DÒNG CHẤT LỎNG BẰNG XUNG SIÊU ÂM Nguyễn Anh Tuấn, Nguyễn Ngọc Minh, Nguyễn Văn Lập, Nguyễn Văn Kựu Khoa Cơ khí, Trường Đại học Thủy Lợi, 175 Tây Sơn – Đống Đa – Hà Nội TÓM TẮT: Phương pháp đo profin vận tốc dòng chất lỏng xung siêu âm (phương pháp UVP) thí nghiệm đường ống dài L = m, đường kính D = 40 mm, chiều dày ống δ = mm Vật liệu làm ống nhựa Acrylic Chất lỏng dùng cho thí nghiệm nước Trong vùng bán kính r = 15 mm tính từ tâm ống, kết đo profin vận tốc dòng ống cho thấy phù hợp với lý thuyết động lực học chất lưu Tuy nhiên phương pháp UVP không phù hợp để đo profin vận tốc khu vực sát thành ống Điều phù hợp với kết số nhà nghiên cứu Từ khóa: phương pháp UVP, dòng chất lỏng GIỚI THIỆU CHUNG Nhiều thập kỷ qua, việc đo dòng chảy vấn đề quan tâm không kỹ thuật chất lỏng mà trong lĩnh vực cơng nghiệp Các tính chất chất lỏng thường có khác lớn lĩnh vực cơng nghiệp khác Các chất lỏng có tính chất ăn mòn, mài mòn, cháy, nổ, hay độc hại Nó chất lỏng pha (khí nước sạch), chất lỏng nhiều pha (dung dịch bùn khí có lẫn bụi) Các đường ống dùng để vận chuyển chất lỏng có đường kính từ mm đến vài mét Nhiệt độ chất lỏng thay đổi từ khơng độ đến hàng trăm 0C, áp suất thay đổi từ chân khơng đến hàng trăm bar Do có khác lớn tính chất chất lỏng, ứng dụng dòng lĩnh vực cơng nghiệp khác nhau, kỹ thuật đo dòng khác phát triển để phù hợp với điều kiện dòng riêng biệt Dù nhiều kỹ thuật đo dòng đề xuất thời gian qua, có số kỹ thuật đo dòng chảy có áp dụng cho nhiều điều kiện đo dòng khác Chưa có kỹ thuật đo dòng chảy áp dụng cho tất điều kiện đo dòng chảy Việc đo dòng chảy chất lỏng đục dường khó khăn Các kỹ thuật đo dòng phương tiện quang học chụp hình ảnh gần khơng thực tính đục dung dịch gây mù thiết bị quang học Các phương pháp đo dòng khác đo áp suất hay mô-men cho kết trường không gian vận tốc tức thời Với nhiều loại dung dịch có ứng xử phi Niu-tơn độ nhớt cao cho đầu đo trực tiếp xâm nhập vào dung dịch làm thay đổi trường dòng ảnh hưởng đến kết đo Bằng việc sử dụng phương pháp đo profin vận tốc dòng xung siêu âm (Ultrasonic Velocity Profile UVP), thực việc đo dòng chảy với loại dung dịch đục, chất lỏng nhớt phi Niu-tơn gặp nhiều kỹ thuật Ngoài ra, phương pháp UVP cho phép đo trường dòng chảy tức thời theo không gian thời gian Do sơ đồ hóa tồn trường dòng Đo profin vận tốc tức thời dòng chảy rối quan trọng động lực học chất lỏng lĩnh vực kỹ thuật liên quan khác Tuy nhiên, khó khăn việc sử dụng phương pháp để có kết đo xác lĩnh vực kỹ thuật khác vấn đề cần tiếp tục xem xét nghiên cứu Trong nghiên cứu này, việc đo profin vận tốc dòng chảy dòng chất lỏng ống mặt cắt tròn sử dụng phương pháp đo không xâm nhập xung siêu âm (phương pháp UVP) làm thực nghiệm Kết đo so sánh, phân tích Trang 335 HỘI NGHỊ KHCN TỒN QUỐC VỀ CƠ KHÍ - ĐỘNG LỰC NĂM 2017 Ngày 14 tháng 10 năm 2017 Trường ĐH Bách Khoa – ĐHQG TP HCM thảo luận với lý thuyết bản, kết nghiên cứu trước NGUYÊN LÝ CỦA PHƯƠNG PHÁP UVP Phương pháp đo profin vận tốc sóng siêu âm UVP phát triển Takeda et al 1995 [1], [2] cho phép thu profin vận tốc tức thời dọc theo chùm xung siêu âm truyền vào dòng chảy (Hình 1) Phương pháp dựa nguyên lý phản xạ sóng âm hạt di chuyển với dòng chảy chất lỏng Các vị trí vận tốc hạt rút từ độ trễ thời gian tín hiệu sóng phát xạ sóng phản xạ thay đổi tần số hiệu ứng Doppler Để thu profin vận tốc, chùm xung siêu âm truyền vào dòng chất lỏng nhờ đầu rò hoạt động nhận xung siêu âm phản xạ từ hạt di chuyển dòng chảy Sự phát truyền xung siêu âm tuân theo định lý truyền sóng Sự phản xạ, nhiễu xạ, biến đổi xung siêu âm xuất ranh giới hai vật liệu Để tránh ảnh hưởng này, góc tới xung siêu âm thường đặt lớn góc tới hạn sóng dọc Hình Ngun lý phương pháp UVP THIẾT LẬP MẠCH THÍ NGHIỆM Thí nghiệm thực với nước máy lấy từ vòi cấp nhà máy nước thành phố Nhiệt độ nước trì nhiệt độ 250C Đường ống thí nghiệm có chiều dài L = m, đường kính D = 40 mm, chiều dày thành ống δ = mm Đo profin vận tốc thực vị trí cách lối vào m Để ln chuyển dòng chất lỏng đường ống, chúng tơi sử dụng bơm chìm cơng suất N = 0,75 kW, lưu lượng lớn Q = 0,22 m /phút, cột áp lớn H = 7,5 m (Hình 2) Thiết bị đo profin vận tốc siêu âm loại FSDP-1 sản xuất công ty Fuji (Nhật Trang 336 Bản) với hai đầu dò siêu âm MHz Đầu dò đặt tạo với hướng dòng góc 45 Với đầu dò, vận tốc đo 126 điểm cho độ sâu 57 mm, độ phân dải 0,45 mm theo hướng truyền xung siêu âm Thời gian hai xung liên tiếp 128µs Profin vận tốc trung bình xác định từ 1000 profin vận tốc tức thời quãng thời gian 20s Mức thời gian đủ dài so với tỷ lệ thời gian đặc trưng rối dòng Hạt dùng để bắt xung siêu âm cho vào dung dịch thí nghiệm Diaion Mitsubishi Chemical (Nhật Bản) HỘI NGHỊ KHCN TỒN QUỐC VỀ CƠ KHÍ - ĐỘNG LỰC NĂM 2017 Ngày 14 tháng 10 năm 2017 Trường ĐH Bách Khoa – ĐHQG TP HCM Hình Sơ đồ mạch thí nghiệm KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 4.1 Profin vận tốc Profin vận tốc dòng trung bình ống có đường kính 40 mm với số Reynolds Re = 60000 biểu diễn Hình Biểu đồ cho thấy profin vận tốc trung bình dòng ống có đặc trưng rối phát triển đầy đủ, phân bố dạng hình parabol Vận tốc lớn tâm ống, giảm dần sang hai bên thành ống Tuy nhiên từ thành ống đến vị trí cách thành ống khoảng mm, vận tốc dòng trung bình (Vaver) lớn (Vaver=1,25m/s) Điều khơng phù hợp với lý thuyết vận tốc thấp khu vực gần thành ống vận tốc không thành ống [3] Các nghiên cứu báo cáo phương pháp UVP đo khu khu vực gần thành ống Để làm rõ nhận xét này, vẽ đồ thị profin vận tốc dạng logarit u , y Hình Trong khu vực Hình Profin vận tốc dòng ống phân bố rối y 100 xa thành ống, kết đo phù hợp với phương trình lý thuyết u 5, 75ln y 5,5 đề xuất Schlichting, 1960 [3] Trong khu vực dòng nhớt y 10 khu vực dòng chuyển tiếp 10 y 100 sát gần thành ống, kết không phù hợp với lý thuyết dòng lớp biên [3] 4.2 Cường độ rối Như thảo luận phần 4.1, phương pháp đo UVP đo khu vực gần thành ống, nên mô tả cường độ rối từ vị trí cách thành ống khoảng cách y/R =0,2 Trên đồ thị Hình ta thấy, cường độ rối tăng dần từ khu vực gần thành tường đến khu vực tâm ống Tại khu vực tâm ống, cường độ rối đạt 0,022 Hình Đồ thị profin vận tốc dạng Logarit Trang 337 HỘI NGHỊ KHCN TỒN QUỐC VỀ CƠ KHÍ - ĐỘNG LỰC NĂM 2017 Ngày 14 tháng 10 năm 2017 Trường ĐH Bách Khoa – ĐHQG TP HCM 0.05 Re = 60000 Cường độ rối 0.04 0.03 0.02 0.01 0.2 0.4 0.6 y/R 0.8 Hình Cường độ rối dòng ống KẾT LUẬN Profin vận tốc dòng ống mặt cắt tròn khảo sát thực nghiệm xung siêu âm (phương pháp UVP) Đây phương pháp đo dòng tiên tiến khơng xâm nhập trực tiếp vào chất lỏng, không phá hủy cấu trúc thành ống Phương pháp UVP cho phép đo profin vận tốc tức thời dòng ống Nó phù hợp với loại chất lỏng đục, chất lỏng phi Niu-tơn Kết thí nghiệm cho thấy phương pháp cho kết đo profin vận tốc phù hợp tốt với lý thuyết động lực học chất lỏng dòng đường ống, Tuy nhiên, kết đo cho thấy phương pháp UVP khơng thích hợp để đo profin vận tốc khu vực sát gần thành ống Kết phù hợp với nghiên cứu tác giả khác REFERENCES [1] Y Takeda, “Ultrasonic Doppler Method for velocity profile measurement in Fluid Dynamics and Fluid Engineering”, no 1, pp 1–8, 1998 [2] Y Takeda, “Velocity Profile Measurement by Ultrasonic Doppler Method”, Exp Therm Fluid Sci., vol 1777, no 94, pp 444–453, 1995 [3] H Schlichting, “Boundary layer theory,” 1960 EXPERIMENTAL INVESTIGATING AN ULTRASONIC VELOCITY PROFILE METHOD OF PIPE FLOW Nguyen Anh Tuan, Nguyen Ngoc Minh, Nguyen Van lap, Nguen Van Kuu Department of Mechanical Engineering, Thuy Loi University, 175 Tay Son, Dong Da, Hanoi ABSTRACT: The untrasonic velocity profile method (UVP method) were performed in a circular arcrylic pipe line with 4m in length, 40mm in diameter and 4mm in thickness The clean tap water was used for the experiment In region with the radius of 15mm from the pipe center, the experimental Keywords: UVP method, pipe flow Trang 338 results was well agreed with that to be showed in the therory of fluid dynamics However, the UVP method is not appropriate to measure in region near pipe wall This is also as same as that of some researchers ... Cường độ rối dòng ống KẾT LUẬN Profin vận tốc dòng ống mặt cắt tròn khảo sát thực nghiệm xung siêu âm (phương pháp UVP) Đây phương pháp đo dòng tiên tiến khơng xâm nhập trực tiếp vào chất lỏng, không... thành ống Phương pháp UVP cho phép đo profin vận tốc tức thời dòng ống Nó phù hợp với loại chất lỏng đục, chất lỏng phi Niu-tơn Kết thí nghiệm cho thấy phương pháp cho kết đo profin vận tốc phù... LÝ CỦA PHƯƠNG PHÁP UVP Phương pháp đo profin vận tốc sóng siêu âm UVP phát triển Takeda et al 1995 [1], [2] cho phép thu profin vận tốc tức thời dọc theo chùm xung siêu âm truyền vào dòng chảy