Thiết kế, chế tạo mô hình đo và kiểm chứng số Reynolds

Bài viết trình bày cách thiết kế và chế tạo mô hình đo số Reynolds có xét tới dòng chảy của chất lỏng qua ống đặt thẳng đứng. Mô hình này dùng giảng dạy cho sinh viên ngành Xây dựng, trường Đại học Thủ Dầu Một

Tạp chí Khoa học Đại học Thủ Dầu Một C Số 3(42)-2019 Đ VÀ SỐ REYNOLDS Ể C Ứ G rần hị Vinh(1), gô Bảo(1) (1) Trường Đại học Thủ Dầu Một Ngày nhận 25/03/2019; Ngày gửi phản biện 28/03/2019; Chấp nhận đăng 20/04/2019 Email: vinhtt@tdmu.edu.vn Tóm tắt Bài báo trình bày cách thiết kế chế tạo mơ hình đo số Reynolds có xét tới dòng chảy chất lỏng qua ống đặt thẳng đứng Mơ hình dùng giảng dạy cho sinh viên ngành Xây dựng, trường Đại học Thủ Dầu Một Nhờ mơ hình mà sinh viên thực hành, hiểu kiểm chứng lại thí nghiệm “Trạng thái chảy chất lỏng” nhà bác học Osborne Reynolds (1842 – 1912) thực vào năm 1883 Số Reynolds có ứng dụng nhiều kỹ thuật, lại khái niệm khó hiểu Vì vậy, Nhóm tác giả viết nghĩ thiết bị đo kiểm chứng lại số Reynolds, nhằm giúp sinh viên dễ hiểu học môn “Cơ học lưu chất” Từ khóa: thí nghiệm Reynolds, trạng thái chảy tầng, trạng thái chảy rối Abstract DESIGN, MANUFACTURE MEASURING MODEL AND VERIFY REYNOLDS NUMBER The paper presents how to design and fabricate Reynolds numerical model with consideration of fluid flow through vertical pipe This model is used for teaching construction students, Thu Dau Mot University From this model, students practice, understand and verify the "Fluid flow state" performed by the scientist Osborne Reynolds (1842 - 1912) in 1883 Reynolds number has many applications in technology, but is a confusing concept Therefore, the author of this article has just come up with a device to test and verify Reynolds number to help students understand better when studying the "fluid mechanics" Sơ lược nghiên cứu biết 1.1 Thí nghiệm trạng thái chảy chất lỏng Osborne Reynolds Reynolds cho dòng mực màu với nước chuyển động ống thủy tinh hình Ông cho vận tốc nước chảy ống thủy tinh thay đổi nhận thấy: Khi vận tốc nhỏ, dòng mực màu chuyển động ống thủy tinh sợi xuyên suốt ống, trường hợp ông gọi chế độ chảy tầng Tiếp tục tăng vận tốc dòng nước, tới lúc đó, dòng mực bắt đầu gợn sóng, đứt đoạn Nếu tiếp tục tăng thêm vận tốc dòng nước dòng mực hòa trộn hồn tồn nước, nghĩa khơng nhìn thấy dòng mực nữa, trường hợp ơng gọi chế độ chảy chảy rối 111 Trần Thị Vinh Thiết kế, chế tạo mơ hình đo kiểm chứng số Reynolds Dòng mực màu dòng nước chảy ống thủy tinh Hình Thí nghiệm trạng thái chảy chất lỏng Osborne Reynolds (1842 – 1912) thực năm 1883 1.2 Các thí nghiệm trạng thái chảy chất lỏng (Ở phòng thí nghiệm nước ta) Hình Thí nghiệm đo hệ số Reynolds A, B Các bình chứa nước; Bình chứa nước màu; Khóa nước màu; Ống quan sát; Khóa điều chỉnh lưu lượng; Lưu lượng kế Hình cho ta thấy sơ đồ thí nghiệm đo số Reynolds tương tự thí nghiệm Reynolds thực năm 1883 Kết cấu thiết bị thí nghiệm, bố trí phận có khác, ngun lý khơng đổi, tức cho dòng chảy chất lỏng ống nằm ngang Thiết bị thí nghiệm theo nguyên lý kiểu thịnh hành trường đại học Riêng Đại học Thủ Dầu Một chưa có Nếu đặt ống quan sát dòng chảy chất lỏng nằm ngang hình đo số Reynolds xác nhà bác học Reynolds thực năm 1883 Còn đặt ống quan sát dòng chảy chất lỏng nằm đứng nằm nghiêng so với phương ngang góc liệu kết đo xác không? Câu hỏi vài nhà nghiên cứu khác đưa 112 Tạp chí Khoa học Đại học Thủ Dầu Một Số 3(42)-2019 thí nghiệm kiểm chứng, có đưa hình ảnh lên trang mạng internet, tư liệu chưa rõ ràng, chưa đáng tin Chúng trình bày thí nghiệm đo kiểm chứng lại số Reynolds cách nghiêm túc cách thiết kế mơ hình có chất lỏng chảy ống quan sát đặt thẳng đứng Cơ sở lý thuyết 2.1 trạng thái chảy chất lỏng Thực tế, tồn hai trạng thái chảy khác chất lỏng Tùy theo trạng thái chảy mà cấu tạo dòng chảy, phân bố vận tốc, tổn thất lượng có quy luật khác T đầu k I , người ta đ biết có trạng thái chảy khác Nhưng tới năm 1883 nhà vật lý học người nh Osborne Reynolds (1842 – 1912) đ chứng minh thí nghiệm, thực tế tồn hai trạng thái chảy khác chất lỏng, trạng thái chảy tầng chảy rối (hình 3) a) b) Hình Mặt cắt phân bố vận tốc chất lỏng chảy tầng (a) rối (b) ống Trạng thái chảy phần tử chất lỏng chuyển động theo tầng lớp không xáo trộn vào gọi trạng thái chảy tầng Ở trạng thái chảy tầng, phân bố vận tốc mặt cắt dòng chảy tuân theo quy luật đồ thị hàm số bậc (parabol) Tức thành ống, vận tốc dòng chảy gần khơng, xa thành ống vận tốc tăng dần liên tục, đạt đến trị số lớn trục ống (hình 3a) Trạng thái chảy phần tử chất lỏng chuyển động vô trật tự, hỗn loạn gọi trạng thái chảy rối Ở trạng thái chảy rối, quy luật phân bố vận tốc dòng chảy phức tạp phần lớn mặt cắt, vận tốc dòng chảy khơng khác nhiều so với vận tốc lớn trục ống (hình 3b) Sự phân bố tương đối vận tốc trạng thái chảy rối giải thích xáo trộn thành phần ngang vận tốc Do đó, có va đập phần tử chất lỏng có vận tốc lớn khu vực với phần tử chất có vận tốc nhỏ sát thành ống Sự va đập dẫn đến trao đổi động lượng phần tử chất lỏng, làm cho chúng có vận tốc tương đương với 2.2 Tiêu chuẩn ph n biệt hai trạng thái chảy (s Reynolds - Re) Dựa vào kết nhiều lần thực thí nghiệm, Osborne Reynolds đ dùng đại lượng không thứ nguyên để đặc trưng cho trạng thái chảy, số Reynolds, ký hiệu Re, tính theo biếu thức: Re  vd  (1) 113 Trần Thị Vinh Thiết kế, chế tạo mơ hình đo kiểm chứng số Reynolds Trong đó: v vận tốc trung bình dòng chảy (m/s); d đường kính ống dẫn nước (m); ν (đọc nuy) hệ số nhớt động học (m2/s) Khi nhiệt độ nước thay đổi hệ số nhớt động học thay đổi theo Thực nghiệm chứng minh, nhiệt độ nước tăng hệ số nhớt động học giảm (bảng 1) Bảng Hệ số nhớt động học phụ thuộc nhiệt độ o t ( C) ν (m2/s) t (oC) ν (m2/s) 0,0178.10-4 20 0,0101.10-4 0,0152.10-4 30 0,0081.10-4 10 0,0131.10-4 40 0,0066.10-4 12 0,0124.10-4 50 0,0055.10-4 15 0,0114.10-4 Số Reynolds sử dụng tiêu chuẩn để phân loại dòng chảy Tùy theo dạng dòng chảy mà ta có giới hạn khác số Re, dạng dòng chảy ống có tiết diện tròn ta có: Khi Re < 2320 có trạng thái chảy tầng; Re > 2320 có trạng thái chảy rối Thiết kế chế tạo mô h nh đo kiểm chứng số Reynolds Sơ đồ nguyên lý Nếu Re < 2320 ta nói trạng thái chảy tầng, Re > 2320 ta nói trạng thái chảy rối Nhưng chảy tầng rối hình ảnh thực tế dòng chảy nào? Liệu lấy số 2320 làm tiêu chuẩn để chia trạng thái chảy tầng rối Reynolds có hay khơng? Để trả lời câu hỏi ta phải làm thí nghiệm để kiểm chứng Thiết bị thí nghiệm có sơ đồ nguyên lý hình nh Sơ đ nguyên l đo kiểm chứng số Reynolds 114 Tạp chí Khoa học Đại học Thủ Dầu Một Số 3(42)-2019 Bảng Các chi tiết mơ hình đo kiểm chứng số Reynolds STT 10 11 12 13 14 15 ên thiết bị ình đựng nước màu Khóa ống dẫn nước màu ng dẫn nước màu ình chứa nước ng quan sát Khóa ống dẫn nước Khóa ống xả nước Máy bơm nước Kim dẫn nước màu ng đẩy nước máy bơm Khung đ hệ thống ình chia độ Nhiệt kế thủy ngân Dây điện, ổ cắm điện, bóng đèn ình chứa nước Số lượng 1 1 1 1 1 1 1 ch thư c (mm Ø100x200 Ø2 Ø2 450x270x350 Ø21 Ø21 Ø21 220V-50Hz Ø 0,1 Ø21 650x400x1185 Giới hạn đo 250 ml Ø10 600x300x300 V t li u Nhựa Nhựa Nhựa Kính Nhựa Nhựa Nhựa Kim loại Kim loại Nhựa Thép Nhựa Nhựa Kính Các vẽ 3D Sau tính tốn, lựa chọn thiết bị có mơ hình, nhóm tác giả đưa ý tưởng thiết kế mơ hình đo kiểm chứng hệ số Reynolds hình Tất thiết bị thí nghiệm lắp ráp hệ thống khung đ kim loại, có bánh xe di chuyển, có khóa xả lắp bể chứa nước cùng, mục đích để xả hệ thống cần thiết Hình Phối cảnh khơng gian mơ hình đo kiểm chứng số Reynolds a) Bản vẽ 3D tồn mơ hình; b) Bản vẽ 3D phần khung bao mơ hình 115 Trần Thị Vinh Thiết kế, chế tạo mơ hình đo kiểm chứng số Reynolds Hình Vài chi tiết quan trọng mơ hình đo kiểm chứng số Reynolds 3.3 Chế tạo Các chi tiết mơ hình thí nghiệm sau đ chế tạo theo kích thước thiết kế ban đầu, tiến hành lắp gh p thiết bị lại hệ thống khung đ th p theo trình tự hình Dùng phương pháp chế tạo khí thơng thường, vật liệu rẻ tiền, sẵn có, ta sản phẩm hình 3.4 ướng d n v n h nh m h nh Bước 1: Cắm điện, mở máy bơm (8), cấp nước t bình chứa nước (12) lên bình chứa nước (4) Chờ bình chứa nước đầy tiến hành thí nghiệm Trong thời gian chờ đợi pha nước màu đổ vào bình chứa nước màu (1) Bước 2: Thí nghiệm với trường hợp lưu lượng tăng dần, cách mở rộng khóa nước (6), dòng chảy chuyển t trạng thái chảy tầng sang trạng thái chảy rối Mở khóa nước (6) với độ mở nhỏ, để có dòng chảy t t ống quan sát (5), mở khóa (2) bình chứa nước màu (1) dòng chảy vào ống dẫn nước màu (3) Điều chỉnh khóa (2) cho lượng nước màu đủ quan sát Bước 3: Quan sát dòng nước màu chảy ống quan sát (5) để nhận x t trạng thái chảy ng với trạng thái chảy thứ 1, tia màu sợi thẳng, ta xác định số Re1 tương ứng Bước 4: Mở dần khóa nước (6) để tăng dần lưu lượng nước ống quan sát (5), vận tốc nước chảy ống quan sát (5) tăng lên ng với trạng thái chảy thứ 2, tia màu bắt đầu gợn sóng, đứt đoạn, ta xác định số Re2 tương ứng Bước 5: Tiếp tục mở dần khóa nước (6) rộng nữa, lưu lượng ống quan sát (5) tăng lên, vận tốc nước chảy tăng lên ng với trạng thái chảy thứ 3, tia màu hòa lẫn hồn tồn vào dòng nước, ta xác định số Re3 tương ứng 116 Tạp chí Khoa học Đại học Thủ Dầu Một Số 3(42)-2019 Bước 6: Thí nghiệm ngược lại với trường hợp lưu lượng giảm dần: dòng chảy chuyển t trạng thái chảy rối sang trạng thái chảy tầng Ta xác định số Re tương ứng Tiến hành thí nghiệm lần (3 lần tăng dần lưu lượng chất lỏng qua ống quan sát lần giảm dần lưu lượng chất lỏng qua ống quan sát), ta đo có nhận x t xác số Re 3.5 Các bước tiến h nh thí nghiệm Các bước lấy s liệu: (1) ận hành mơ hình theo bước hướng dẫn trên; (2) Đo nhiệt độ nước, ghi vào bảng tổng hợp số liệu; (3) Tra bảng để xác định hệ số nhớt động học ν; (4) Dùng bình chia độ đo thể tích chất lỏng dùng đồng hồ bấm giây để đo thời gian 10 giây nước chảy qua ống Thực lần liên tiếp ứng với trạng thái chảy; (5) Ghi lại lưu lượng tương ứng với t ng trạng thái chảy mà ta quan sát Tính tốn kết quả: (1) Tính vận tốc v dòng chảy theo cơng thức v = Q/A (với A   d / mặt cắt ngang ống quan sát; d = 21 mm = 0,021 m đường kính ống quan sát); (2) Tính số Reynolds tính tốn (Rett) theo cơng thức (1); (3) So sánh số Reynolds tính tốn (Rett) với số Reynolds tiêu chuẩn (Re = 2320); (4) Nhận x t trạng thái chảy chất lỏng ống có tiết diện tròn Thế số liệu đo vào công thức (1), kết hợp quan sát trạng thái chảy chất lỏng hình 6, ta kết bảng Quan sát hình ảnh chất lỏng ứng với số Re lúc Rett < 2320; Rett > 2320 để nhận x t trạng thái chảy tầng, rối chất lỏng t kiểm chứng lại tính hợp lý thí nghiệm Osborne Reynolds trường hợp cho dòng chất lỏng chảy ống tròn thẳng đứng Bảng Trường hợp chất lỏng chảy tầng Lần đo to C ν (m2/s) 30 0,0081.10 -4 Q (l/s) v (m/s) Rett 0,02 0,065 1685,12 0,025 0,07 1814,81 0,03 0,086 2229,24 nh ảnh Re tiêu chuẩn ết lu n 2320 Trạng thái chảy tầng Re tiêu chuẩn ết lu n 2320 Trạng thái chảy rối Bảng Trường hợp chất lỏng chảy rối Lần đo toC ν (m2/s) 30 0,0081.10 -4 Q (l/s) v (m/s) Rett 0,175 0,50 12962,9 0,2 0,58 15037,0 0,26 0,75 19444,4 117 nh ảnh Trần Thị Vinh Thiết kế, chế tạo mơ hình đo kiểm chứng số Reynolds ết lu n Mơ hình đo kiểm chứng số Reynolds cách cho dòng chất lỏng chảy ống tròn thẳng đứng dễ dàng lắp đặt, vận hành mơ hình xác định trạng thái chảy chất lỏng Mơ hình tương đối nhỏ gọn, dễ dàng di chuyển Các chi tiết mơ hình dễ tìm, dễ thay dễ sửa chữa hư hỏng ật liệu chế tạo mơ hình tương đối rẻ tiền Trong lần đo đầu, dòng màu dòng nước ống chảy thành t ng dòng riêng biệt, ta có dòng chảy tầng Khi tăng dần vận tốc dòng chảy cách mở rộng khóa nước, lần đo sau, dòng nước màu nước ống nghiệm chuyển động xáo trộn lẫn vào nhau, ta có dòng chảy rối Mơ hình đáp ứng ý tưởng ban đầu kiểm chứng đắn thí nghiệm Osborne Reynolds thực năm 1883, cách cho dòng chất lỏng chảy ống thẳng đứng Mơ hình dùng làm đồ dùng học tập cho sinh viên, nhà trường khơng phải tiền để mua Tuy nhiên, mơ hình có hạn chế: chưa thực ống quan sát có đường kính hình dạng khác nhau; chưa thí nghiệm với nhiều loại chất lỏng; chưa kiểm chứng hệ số Re thay đổi nhiệt độ nước thay đổi góc nghiêng so với phương ngang ống quan sát À L ỆU A Ả n nnk (2012) ướng d n thí nghiệm Cơ Lưu Chất N [1] Nguyễn Ngọc Đại học Quốc gia TPHCM [2] Nguyễn Cảnh Cầm, ũ ăn Tảo (2007) Thủy Lực tập N ây dựng [3] Phùng ăn Khương nnk (2007) Thủy lực sở N ây dựng [4] Nguyễn Thanh Tùng (1981) Thủy lực cung cấp nước nông nghiệp N Đại học Trung học chuyên nghiệp 118 ... cần thiết Hình Phối cảnh khơng gian mơ hình đo kiểm chứng số Reynolds a) Bản vẽ 3D tồn mơ hình; b) Bản vẽ 3D phần khung bao mơ hình 115 Trần Thị Vinh Thiết kế, chế tạo mơ hình đo kiểm chứng số Reynolds. .. Reynolds Hình Vài chi tiết quan trọng mơ hình đo kiểm chứng số Reynolds 3.3 Chế tạo Các chi tiết mơ hình thí nghiệm sau đ chế tạo theo kích thước thiết kế ban đầu, tiến hành lắp gh p thiết bị... nh Sơ đ nguyên l đo kiểm chứng số Reynolds 114 Tạp chí Khoa học Đại học Thủ Dầu Một Số 3(42)-2019 Bảng Các chi tiết mơ hình đo kiểm chứng số Reynolds STT 10 11 12 13 14 15 ên thiết bị ình đựng