Cơ học chất lưu, hay còn được gọi là cơ học thủy khí, nghiên cứu sự cân bằng và chuyển động của các phần tử vật chất vô cùng nhỏ có thể dễ dàng di chuyển và va chạm với nhau trong không gianCơ học chất lưu, hay còn được gọi là cơ học thủy khí, nghiên cứu sự cân bằng và chuyển động của các phần tử vật chất vô cùng nhỏ có thể dễ dàng di chuyển và va chạm với nhau trong không gian
MỤC LỤC BÀI THỦY TĨNH BÀI THÍ NGHIỆM REYNOLDS BÀI PHƯƠNG TRÌNH NĂNG LƯỢNG 10 BÀI 3A1 PHƯƠNG TRÌNH NĂNG LƯỢNG 12 BÀI 3A2 PHƯƠNG TRÌNH NĂNG LƯỢNG 17 BÀI 3D ĐO LƯU LƯỢNG KHÍ 24 BÀI 5A MẤT NĂNG TRONG ỐNG DẪN 29 PHỤ LỤC KIM ĐO VÀ DU XÍCH 34 PHỤ LỤC MỘT SỐ TÍNH CHẤT VẬT LÝ CỦA NƯỚC 36 TÀI LIỆU THAM KHẢO 37 i BÀI THỦY TĨNH MỤC ĐÍCH Giúp sinh viên hiểu rõ phương trình thủy tĩnh học biết vận dụng số vấn đề liên quan tới lưu chất không nén trạng thái tĩnh II NỘI DUNG LÝ THUYẾT I p0 p h z0 z 0 Hình 1.1 Trạng thái lưu chất tĩnh, khơng nén được mơ tả phương trình bản: p (1.1) z const Với z cao độ điểm khối lưu chất tĩnh có trọng lượng riêng khơng đổi p áp suất thủy tĩnh điểm đó, giá trị p gọi cột nước đo áp có đơn vị mét Từ phương trình này, z ta có vài vận dụng sau: Mặt đẳng áp Mặt đẳng áp mặt áp suất Hình ảnh cụ thể mặt đẳng áp mà ta quan sát thấy mặt thoáng Khi áp suất điểm mặt thống cao độ điểm phải Nghĩa mặt thống mặt nằm ngang Áp kế chất lỏng Vận dụng phương trình (1.1) để tính tốn áp suất điểm khối lưu chất tĩnh Nếu biết điểm có cao độ z0, áp suất p0 điểm có cao độ z (xem Hình1.1), áp suất là: p p z z p h (1.2) Trong mặt phẳng 0-0 mặt phẳng chuẩn để so sánh Bằng cách đo chiều cao h, xác định áp suất p Tính tốn trọng lượng riêng chất lỏng Nếu ta biết p0, p lẫn z0 z, từ (1.2) ta tính trọng lượng riêng chất lỏng: p p0 (1.3) z0 z Phương trình (1.1) thiết lập loại bỏ ảnh hưởng mao dẫn Trong trường hợp chất lỏng bên ống nhỏ có đường kính d ≤ 3mm ảnh hưởng mao dẫn đáng kể, phương trình (1.1) khơng cịn xác Nếu chất lỏng nước, cồn, dầu mực chất lỏng ống có đường kính nhỏ dâng cao ống có đường kính lớn, cịn chất lỏng thủy ngân ngược lại, mực chất lỏng ống có đường kính nhỏ thấp ống có đường kính lớn III THIẾT BỊ THÍ NGHIỆM Thước khắc mm 12 21 22 23 10 Đ T Hình 1.2 11 Bộ thí nghiệm thủy tĩnh: Dàn áp kế gồm nhóm ống đánh số từ tới 10 gắn bảng có gắn thước khắc cao độ, độ xác đến milymet Hình 1.2 Đường kính ống di = 5mm (trừ nhóm ống số có đường kính 3mm) Trong ống này: Cặp ống 1-3 dùng làm áp kế chất lỏng để đo áp suất khí bình T Nhóm ống số gồm ống 21, 22, 23 có đường kính tương ứng 1mm, 2mm, 3mm dùng để quan sát tượng mao dẫn ống chữ U cặp ống 4-5, 6-7 8-9, có chứa chất lỏng cần xác định trọng lượng riêng Ống số 10 ống số dùng để quan sát mặt đẳng áp Áp suất mặt thoáng ống 1, 4, 6, áp suất khí bình T Cao độ mực chất lỏng ống ký hiệu Li Bộ phận tạo áp suất gồm bình tĩnh T kín khí bình động Đ hở treo ròng rọc 12 chứa nước Nhờ tay quay 11 ta thay đổi độ cao bình Đ, làm cho khí bình T có áp suất khác IV TRÌNH TỰ THÍ NGHIỆM 1- Kiểm tra mặt chuẩn số đo cao độ (trên bảng kẻ milymet) thước đo có nằm ngang hay khơng cách đọc mực nước ống ống 10 Hai mực nước phải nằm ngang 2- Dùng tay quay 11 đưa bình Đ lên vị trí cao (mặt thống bình Đ cao mặt thống bình T khoảng zĐ - zT = 15 20cm) Tiến hành đo cao độ mực chất lỏng ống đo áp từ số đến số 10 ghi lại vào bảng (kể nhóm ống số 2) Hạ bình Đ xuống vị trí trung bình (zĐ - zT = 7cm) thấp (zĐ - zT = -15 -20cm) Tiến hành đo đạc ghi kết vào bảng (trong phúc trình thí nghiệm) V HƯỚNG DẪN TÍNH TỐN PHÚC TRÌNH Tính tốn áp suất thủy tĩnh khí bình T Từ (1.2), áp suất bình T tính: p T p a H2 O L3 L1 (1.4a) Trọng lượng riêng nước bình H2 O xác định tùy thuộc nhiệt độ môi trường Nếu lấy pa = 0, ta tính áp suất dư: p Td H2O L L1 (1.4b) Với vị trí bình Đ, ta tính giá trị áp suất khí bình tĩnh Tính tốn trọng lượng riêng chất lỏng ống chữ U Xét chất lỏng có trọng lượng riêng , trạng thái tĩnh nhánh i i + ống chữ U Áp suất bình T tính: (1.5) p T p a Li1 Li So sánh với (1.4a), ta rút cơng thức tính trọng lượng riêng chất lỏng này: L L1 (1.6) H2 O Li1 Li Tính sai số phương pháp đo áp suất Vận dụng lý thuyết sai số, từ công thức (1.4b) ta xác định sai số tương đối p phép đo áp suất dư: p p T H2O L L1 H2O L L1 pT H2O L L1 H2O L L1 Như vậy, sai số tương đối phép đo áp suất dư tổng giá trị sai số tương đối: - Sai số tương đối việc xác định trọng lượng riêng nước: H2O H2O H2O - Sai số tương đối việc đọc cao độ thang chia: L L1 L31 L L1 p H O L Thông thường ta lấy H O = 0,12% L1 = L3 = 0,5mm Như vậy: 31 2 Tính sai số xác định chất lỏng ống chữ U Từ công thức (1.6) ta xác định sai số tương đối phép đo trọng lượng riêng chất lỏng ống chữ U: H2 O L L1 Li1 Li H2 O L L1 Li1 Li Hay: p H O L L 31 i 1i Ta lấy H 2O = 0,12% L1 = L3 = Li = Li+1 = 0,5mm BÀI THÍ NGHIỆM REYNOLDS I MỤC ĐÍCH Có hai trạng thái chuyển động lưu chất: trạng thái chảy tầng trạng thái chảy rối Hai trạng thái chảy lưu chất có tính chất khác hẳn sinh nguyên tắc khác gây nên tiêu tán lượng dòng chảy Bài thí nghiệm xây dựng nhằm giúp sinh viên: Quan sát, phân biệt hai trạng thái lưu chất độ chuyển từ trạng thái sang trạng thái Xác định miền giá trị số Re ứng với trạng thái, từ xác định số Re để cho dòng chảy chắn dòng chảy tầng, so sánh với kết thực nghiệm Reynolds II NỘI DUNG LÝ THUYẾT Thí nghiệm Reynolds thí nghiệm cổ điển thực Reynolds (1883) Để quan sát cấu trúc dòng chảy, Reynolds dùng ống mảnh dẫn nước màu vào thẳng với đường tâm đường ống dẫn nước thí nghiệm Các nhận xét kết luận mà Reynolds rút là: Khi tăng dần lưu lượng từ giá trị không: - Ở giá trị lưu lượng nhỏ tia màu giữ thẳng theo đường tâm ống, không dao động, phần tử màu khơng hịa trộn với phần tử nước xung quanh Điều chứng tỏ phần tử lưu chất chuyển động theo tầng lớp, không bị xáo trộn Trạng thái chảy gọi trạng thái chảy tầng - Khi lưu lượng lớn đến mức tia màu bắt đầu bị dao động (gợn sóng) - dịng chảy hết trạng thái chảy tầng - Nếu tiếp tục tăng lưu lượng tia màu dao động mạnh hơn, tiến tới bị đứt đoạn sau tới mức bị hịa trộn hồn tồn vào dịng chảy Dịng chảy lúc trở nên hoàn toàn rối Từ hết trạng thái chảy tầng đến lúc chảy rối, dòng chảy trải qua trạng thái chảy độ từ tầng sang rối Khi dòng chảy trạng thái rối hồn tồn, giảm dần lưu lượng tới mức phần tử màu lại trở lại mức gợn sóng tiếp tục giảm lưu lượng trạng thái chảy tầng lưu chất lại thiết lập: tia màu lại thẳng theo đường tâm ống Dòng chảy chuyển từ trạng thái chảy rối sang trạng thái chảy tầng sau giai đoạn chảy độ từ rối sang tầng Sự thay đổi trạng thái chảy lưu chất phụ thuộc vào đại lượng vô thứ nguyên: số Reynolds - Re Đối với dòng chảy ống tròn, số Re xác định sau: Re Trong đó: VD V: vận tốc trung bình ống D: đường kính ống : độ nhớt động học lưu chất Về ý nghĩa vật lý, Re tỷ số lực quán tính lực ma sát nhớt Việc tăng dần lưu lượng làm tăng dần số Re Re nhỏ chứng tỏ lực ma sát nhớt chiếm ưu thế, kích động dòng chảy dễ dàng bị lực ma sát nhớt dập tắt, ta có dịng chảy tầng Khi Re tăng, lực quán tính chiếm ưu thế, lực ma sát nhớt khơng cịn đủ sức dập tắt kích động, dịng chảy dễ dàng chuyển sang rối Với thí nghiệm Reynolds cho thấy giá trị Re ứng với trường hợp dòng chảy vừa vượt qua trạng thái chảy tầng gọi Re tới hạn ký hiệu Rec1 (chuyển từ tầng sang rối) đạt trị số lớn, tới 105, cịn giá trị số Re ứng với trường hợp dòng chảy thiết lập lại trạng thái chảy tầng (chuyển từ rối sang tầng) gọi Re tới hạn ký hiệu Rec2 thường nhỏ nhiều Theo Reynolds, Rec2 2300 Trong thực tế, phân định trạng thái chảy, để đảm bảo chắn dòng chảy tầng người ta dùng Regh = 2300 làm tiêu chuẩn phân định: dịng chảy có Re Regh dịng chảy rối, Re < Regh dòng chảy chế độ chảy tầng III THIẾT BỊ THÍ NGHIỆM 10 11 12 A 13 14 Hình 2.1 10 11 12 13 14 Bình chứa nước Van đường cấp nước Ống cấp nước Bình chứa nước màu Van nước màu Ống cấp nước màu Gờ tràn Bình cấp nước cho ống thí nghiệm Ống xả nước dư Các viên bi giữ ổn định dịng bình Khung đỡ Ống xả đáy Ống quan sát trạng thái chảy, đường kính ống D = 14 mm Van điều chỉnh lưu lượng chảy IV TRÌNH TỰ THÍ NGHIỆM Mở van vừa phải nước qua ống vào bình Trong q trình thí nghiệm, lưu lượng qua ống quan sát trạng thái chảy điều chỉnh nhờ van 14, gờ tràn giữ cho mực nước bình khơng đổi vậy, dịng ống ổn định Thí nghiệm với trường hợp lưu lượng tăng dần (dòng chảy chuyển từ trạng thái tầng sang trạng thái rối): - Mở khóa 14 với độ mở nhỏ bước đầu để có dịng chảy ống 13 - Mở khóa bình mực màu mực chảy vào ống 13 Quan sát dịng mực màu ống - Mở tiếp khóa 14 nhằm tăng dần lưu lượng ống để có thơng số dịng chảy ứng với trạng thái: Chảy tầng (tia màu sợi thẳng) Trạng thái độ: + Bắt đầu hết trạng thái chảy tầng (tia màu bắt đầu gợn sóng) + Dịng màu bắt đầu bị đứt đoạn Dòng chảy trạng thái chảy rối - Ứng với trạng thái xác định trên, ta xác định số Re tương ứng * Các bước lấy số liệu sau: a Dùng bình đo thể tích A đồng hồ bấm giây để xác định lượng nước chảy sau thời gian 10 giây cho bảng lần ứng với trạng thái chảy Số liệu ghi vào bảng (trong tập Phúc trình thí nghiệm) b Đo nhiệt độ nước, ghi vào phúc trình Thí nghiệm với trường hợp lưu lượng giảm dần: (dòng chảy chuyển từ trạng thái rối sang trạng thái tầng) Mở thêm van 14 để có dịng chảy trạng thái hồn tồn rối (mực màu hịa trộn hồn tồn) sau đóng dần van 14 để giảm lưu lượng ống Quan sát lấy số liệu cho trường hợp: Dịng màu hịa trộn hồn tồn Dịng màu trở lại nhìn thấy đứt đoạn Dịng màu trở lại gợn sóng Dịng màu thẳng tương ứng với chuyển động tầng Ứng với trạng thái chảy, đo thể tích nước chảy 10 giây lần, ghi số liệu vào bảng (trong tập Phúc trình thí nghiệm) III HƯỚNG DẪN TÍNH TỐN PHÚC TRÌNH Tính lưu lượng Q = W/t, vận tốc V = Q/A số Reynolds Re = VD/ thời điểm hai lần đo So sánh số Re tới hạn hai lần đo Giải thích So sánh số Re tới hạn đo với số Re Reynolds IV CÁC CÂU HỎI CHUẨN BỊ Dùng tiêu chuẩn để phân biệt trạng thái chảy lưu chất Với trường hợp dòng lưu chất ống trịn thí nghiệm, tiêu chuẩn xác định nào? Tiêu chuẩn có thứ nguyên gì? Đặc trưng cho tác dụng lực lên dòng chảy? Tại phải giữ cho mực nước bình khơng đổi? Làm để giữ cho mực nước bình khơng đổi? Tại phải chọn loại mực màu có tỷ trọng gần tỷ trọng nước? Tại phải làm thí nghiệm với trường hợp vận tốc dòng chảy tăng dần vận tốc dòng chảy giảm dần? Trong thí nghiệm lượng nước vào bình qua van lượng nước chảy qua van 14 có khơng? Tại sao? Số Reynolds tới hạn gì? Số Reynolds tới hạn gì? Số Reynolds tới hạn gì? Số Reynolds tới hạn có không? Để phân biệt trạng thái chảy, tính tốn người ta dùng Re tới hạn hay dưới? 10 Tại phải phân biệt trạng thái chảy lưu chất? Vi = Q/Ai (3.5) Với Ai diện tích mặt cắt i, Ai = Bhi; B = 40cm; hi = Zđi - Zi; Zi Zđi cao trình mực nước đáy kênh mặt cắt i 3- Tính cột nước vận tốc Cột nước vận tốc trung bình mặt cắt i là: hVi Vi2 / 2g 4- (3.6) Khảo sát tổn thất lượng Tổn thất lượng mặt cắt i j xác định nhờ áp dụng phương trình lượng (3.2) cho mặt cắt đó: p V j2 p V h f ij zi i i z j j g g hi hVi h j hVj (3.7) Với hi hj cao độ mực nước mặt cắt i mặt cắt j (tính từ đáy P Pj Ta lấy = cột áp vận tốc tính theo (3.6) kênh); i - Vẽ đường lượng kênh Từ số liệu thu thập trường hợp mực nước hạ lưu bậc cao mực nước bậc, dựa vào phương trình lượng (3.2) sinh viên tính tốn vẽ đường lượng vào phúc trình (Xem đáy kênh nằm ngang chuẩn chọn đáy kênh) Xác định lượng mặt cắt i: - Từ kết đo ta có hi = zđi – zi; tính lượng mặt cắt i: Ei= hi+Vi2/2g Từ giá trị đo hi giá trị tính hvi, vẽ đường thể thay đổi lượng dọc theo chiều dài kênh từ mặt cắt đến mặt cắt hai trường hợp: - TH1: Bỏ qua mát lượng từ mặt cắt đến mặt cắt - TH2: Có tính đến mát lượng từ mặt cắt đến mặt cắt 20 Bài 3D ĐO LƯU LƯỢNG KHÍ MỤC ĐÍCH Bài thí nghiệm giúp sinh viên: - Hiểu phương pháp đo lưu lượng dịng khí đường ống dựa điều kiện bảo toàn lượng động lượng - Hiểu cách sử dụng ống đo áp máy đo áp - Tính tốn lưu lượng dịng khí từ chênh lệch áp suất LÝ THUYẾT CƠ BẢN Lỗ thành mỏng vịi phun (Hình 1) hai thiết bị dùng phổ biến để đo lưu lượng khí ống Lưu lượng tính từ chênh lệch áp suất trước sau thiết bị b) a) Hình a) Lỗ thành mỏng b) Vòi phun Áp dụng phương trình Bernoulli cho dịng hai mặt cắt trước sau thiết bị Hình (bỏ qua tổn thất lượng): z1 p1 V12 p V2 z2 k 2g k 2g Cho ống nằm ngang (z1 = z2), vận tốc V1 (3-1) Q Q , V2 A1 A2 Lưu lượng Q tìm theo chênh lệch áp suất p1 - p2: 21 d p1 p Q 1 k (3-2) với d đường kính lỗ hay vịi; D đường kính ống; Khi tính đến mát lượng, hệ số lưu lượng C thêm vào công thức (3-2): QC d p1 p 4 k (3-3) C gọi hệ số lưu lượng, C Hệ số C phụ thuộc vào hình dạng lỗ hay vịi số Reynolds dịng MƠ TẢ THÍ NGHIỆM Hình Sơ đồ thí nghiệm ① Lỗ thành mỏng ② Vịi phun ③ Quạt li tâm động điện ④ Biến tần ⑤ Ống đo áp ⑥ Máy đo áp suất ⑦ Ống silicon dẫn áp suất từ đường ống đến ống đo áp 1, 2, 3, 4: số thứ tự ống đo áp Quạt li tâm tạo dòng khí bên ống đo Biến tần dùng để thay đổi tốc độ quay quạt làm thay đổi lưu lượng khí ống Hai thiết bị đo lưu lượng: lỗ thành mỏng vòi phun gắn bên ống Áp suất 22 trước sau thiết bị đo dẫn đến ống đo áp Chênh lệch áp suất trước sau thể hai cách: hai ống đo áp chứa nước thông đồng hồ đo áp kế HƯỚNG DẪN THÍ NGHIỆM i Kiểm tra khơng có vật cản nằm miệng hút miệng ống khí ii Bật cơng tắc mở quạt iii Chỉnh số vịng quay biến tần khoảng 400 - 450 vòng/phút iv Đọc độ cao mực nước hai ống đo áp 2, ghi vào Bảng 1, hàng bên cột “ống đo áp 1, 2” Đọc số áp kế bên trái, ghi vào Bảng 1, hàng bên cột “áp kế” v Đọc độ cao mực nước hai ống đo áp 4, ghi vào Bảng 2, hàng bên cột “ống đo áp 3, 4” Đọc số áp kế bên phải, ghi vào Bảng 2, hàng bên cột “áp kế” Lặp lại bước từ iii đến v cho thêm giá trị vòng quay biến tần: 650-700 vòng/phút, 900 - 950 vòng/phút 1150 - 1200 vòng/phút Ghi giá trị tương ứng vào bảng HƯỚNG DẪN VIẾT BÁO CÁO - Đọc giá trị nhiệt độ khơng khí - Tra phụ lục để có khối lượng riêng k khơng khí, n nước độ nhớt động học khơng khí 5.1 Tính tốn chênh lệch áp suất: - Cho Lỗ thành mỏng: p1 p n gh h1 (3-4) h2 h1 chiều cao cột nước hai ống đo áp 2, tính mét - Cho Vịi phun: p3 p4 n g h4 h3 (3-5) h3 h4 chiều cao cột nước hai ống đo áp 4, tính mét 5.2 Tính tốn hệ số lưu lượng C: - Cho Lỗ thành mỏng: o Đường kính D = 149mm, d = 65mm o d / D 0.436 23 Số Reynolds: Re o VD (3-6) Hệ số C tính theo cơng thức: 10 C 0.5959 0.0312 0.184 0.0029 Re 0.0039 0.01583 2.1 2.5 0.73 (3-7) Do C phụ thuộc vào số Renolds, nên phụ thuộc vào vận tốc V lưu lượng Q Do đó, C phải tìm phương pháp lặp theo bảng bên dưới: C Tính Q V Q / A 4Q / D Re Tính theo (3-7) theo (3-3) Đốn Q tính Q theo (3-2) Q Quá trình lặp lại giá trị Q hội tụ Ghi kết C Q ứng với tần số tính vào Bảng - Cho Vịi: o Đường kính D = 149mm, d = 65mm o d / D 0.436 o Hệ số C tính theo cơng thức: 4.5 o C 0.9858 0.196 o Lưu lượng Q tính theo cơng thức (3-3) Kết tính C Q ứng với tần số ghi vào bảng 5.3 So sánh giá trị chênh lệch áp suất đo ống đo áp áp kế: So sánh giá trị p1 - p2, p3 – p4 số áp kế tương ứng Tính độ khác biệt: Kết ghi vào Bảng 24 5.4 So sánh lưu lượng đo Lỗ thành mỏng Vòi: Từ số liệu Q bảng 2, vẽ hai đường quan hệ (Q – tốc độ quạt) cho hai thiết bị Lỗ thành mỏng Vòi phun Thể kết Đồ thị Đặt tên cho Đồ thị 5.5 Nhận xét: - Giải thích khác biệt kết đo áp suất ống đo áp áp kế - So sánh lưu lượng đo hai phương pháp lỗ thành mỏng vòi phun Đồ thị - Giữa hai phương pháp đo lỗ thành mỏng vòi phun, phương pháp có độ xác cao hơn? Vì sao? 25 Bài MẤT NĂNG TRONG ỐNG DẪN MỤC ĐÍCH Khảo sát tượng dọc đường dịng chảy đoạn đường ống trịn khơng có chi tiết nối ống TĨM TẮT LÝ THUYẾT Phương trình lượng áp dụng cho dịng chảy ổn định từ mặt cắt (1-1) tới mặt cắt (2-2) (xem Hình 5.1) viết sau: p1 1V12 p V22 z1 z2 hf 2g 2g z1, z2, p1, p2, V1, V2 cao độ, áp suất vận tốc trung bình dịng chảy hai mặt cắt (1-1) (2-2); h f12 tổn thất lượng dòng chảy từ mặt cắt (1-1) tới mặt cắt (2-2); 1 2 hệ số hiệu chỉnh động 2.1 Ý nghĩa Năng lượng (5.1) 12 z1 V1 V2 z2 Hình 5.1 Về mặt lượng z biểu thị lượng đơn vị trọng lượng chất lỏng vị trí so với mặt chuẩn tạo cột nước vị năng; p/ biểu thị công áp suất tạo cột nước áp suất; V2/2g biểu thị động vận tốc dòng chảy tạo cột nước vận tốc Người ta gọi cột nước tĩnh tổng z + p/ đơn vị trọng lượng chất lỏng 2.2 Khảo sát dọc đường Xét trường hợp ống trụ trịn khơng có nối ống, ta có V1 = V2 1 = 2, phương trình 5.1 trở thành: p p hf12 z1 z 26 (5.2) L Q D khơng khí van M Chất lỏng h N Hình 5.2 Phương trình (5.2) cho ta thấy dòng chảy giảm dần Ta nói phần lượng dịng chảy bị chuyển hóa thành nhiệt ma sát dọc theo thành ống từ mặt cắt (1-1) đến (2-2) không lấy lại Mất ta gọi dọc đường, h d, đo cách dùng ống đo áp đo chênh (xem Hình 5.2) Nguyên lý ống đo áp đo chênh cho ta quan hệ: p p (5.3) hd12 z1 z h Vấn đề đặt tổn thất dọc đường, hd phụ thuộc vào yếu tố gì? Khoảng cách L hai mặt cắt trên; đường kính ống D; vận tốc dịng chảy trung bình V hay yếu tố khác Các vấn đề phần trả lời nhờ vào công thức Darcy hd L V2 L Q2 = D 2g D 2g A (5.4) hệ số ma sát Qua thực nghiệm, Nikuradse Moody đưa biểu đồ nhằm xác định hàm số Reynols (Re), độ nhám tương đối, (/D) Trong độ nhám tuyệt đối số Reynolds: Re = VD/, với độ nhớt động học chất lỏng Như thay đo đạc h để xác định tổn thất dọc đường, thực tế người ta thường dùng công thức Darcy biểu đồ Moody để tính hd 27 THIẾT BỊ THÍ NGHIỆM 3.1 Thiết bị thí nghiệm 11 4 12 Hồ chứa Hình 5.3 Nước hồ chứa đưa vào ống (3) nhờ vào hoạt động máy bơm (1) Van (2) đặt sau máy bơm dùng để điều tiết lưu lượng qua máy bơm Trên đoạn sau ống, lỗ (1), (2), (3), (4) nối dàn đo áp (8) để đo độ chênh cột áp thơng qua khố đóng mở (9) Cuối ống van (4) dùng để giữ nước ống cho mục đích mồi nước cho lần khởi động bơm Nước thoát khỏi ống cho chảy xuống kênh bê tơng hình chữ nhật (6) Một bình thơng (5) nối với kênh bê tông dùng để đo mực nước ổn định kênh Cuối kênh bê tông bờ tràn tam giác (7) dùng để đo lưu lượng chảy kênh Nước qua khỏi bờ tràn chuyển lại hồ chứa nước chu trình lại tiếp tục Sơ đồ mơ hình thí nghiệm giới thiệu hình 5.4 * Các kích thước liên quan Ống sắt dẫn nước đường kính D = 10,64cm Tại mặt cắt 5, đường kính thu hẹp d = 7,01cm Khoảng cách lỗ đo L1-2 = L2-3 = L3-4 = 3m 28 3.2 Thiết bị khác: Dùng bờ tràn mỏng hình tam giác để đo lưu lượng kênh bê tông Lưu lượng kênh lưu lượng ống Lưu lượng qua bờ tràn mỏng hình tam giác xác định sau: Q tg h0 2gh 15 (5.10) Bờ tràn phịng thí nghiệm có: = 90o; = 0,58; h0 cột nước đỉnh bờ tràn Dùng kim đo trang bị sẵn bình thơng (xem Phụ Lục 1), h0 = Zchuẩn - Z, Zchuẩn giá trị đọc kim đo ngang đỉnh bờ tràn (sinh viên tham khảo phòng thí nghiệm) Z giá trị đọc kim đo ngang mực nước kênh bê tông Như cách đo Z ta suy h0 tính Q theo phương trình (5.10) TRÌNH TỰ THÍ NGHIỆM 1- Trước thí nghiệm cần kiểm tra van (2), (4) khoá (9) Bảo đảm chúng trạng thái đóng kiểm tra trục quay máy bơm motơ cách quay nhẹ xem thử có bị cứng hay khơng, chuyển động tốt 2- Trên tủ điện nhấn lần lượt: công tắc POWER ON công tắc RUN/ STOP, ON để khởi động máy bơm Mở hết van (4) cách quay ngược chiều kim đồng hồ không quay Chú ý: van không mở hết mở van làm ống dàn đo áp bung áp lực lớn Mở từ từ van (2) xem thay đổi cường độ dòng điện tủ điện trị số cần thí nghiệm 3- Việc đo đạc thực lần 4- Chú ý quan trọng tắt máy Đóng van 2, tiếp tắt máy (nhấn nút OFF, RUN/ STOP nguồn) Sau đóng van (4) lại, để giữ nước ống Lần 1: a- Mở khóa nối ống đo áp cho mặt cắt (1) (2) Điều chỉnh van (2) để thay đổi cấp lưu lượng ứng với cường độ dòng điện 21A < I < 26A (lần - lưu lượng ứng với I = 25A; lần - lưu lượng ứng với I = 23,5A; lần - lưu lượng ứng với I = 22A) Đợi mực nước kênh ổn định (mực nước bình (5) khơng đổi), tiến hành đọc giá trị sau: 29 - Mực nước ống (1) - Mực nước ống (2) - Cao trình Z bình (5) (Cách đọc theo Phụ lục 1) Kết đo ghi vào phần Bảng tập phúc trình thí nghiệm b- Lần 2: Điều chỉnh van (2) để thay đổi cấp lưu lượng ứng với cường độ dòng điện I = 21.5A đến 19.5A Tiếp tục mở khoá (3), (4) Ứng với cấp lưu lượng, chờ mực nước kênh ổn định, tiến hành đo giá trị sau: - Mực nước ống (1) đến ống (4) Cao trình Z bình (5) Kết đo ghi vào Bảng tập Phúc trình thí nghiệm HƯỚNG DẪN TÍNH TỐN THÍ NGHIỆM Chọn lưu lượng lần đo (I < 22A), tính lưu lượng ống tổn thất lượng mặt cắt (4-3), (4-2), (4-1) Ghi kết vào Bảng Vẽ quan hệ tổn thất với chiều dài cho lưu lượng Nhận xét dạng đường quan hệ giải thích Với lưu lượng đo hai lần Tính lưu lượng Q ống, tổn thất hd hai mặt cắt (1) (2) Kết ghi vào Bảng Vẽ đường quan hệ tổn thất hd theo lưu lượng Q Nhận xét bậc hàm số biểu diễn đường quan hệ giải thích Dựa vào tất trường hợp (8 lần) hai đo, tính lưu lượng, hệ số , số Reynolds Re Kết ghi vào Bảng Dùng biểu đồ MOODY để kết luận trạng thái chảy ống xác định gần giá trị độ nhám tuyệt đối 30 Phụ lục I- KIM ĐO VÀ DU XÍCH Thước CẤU TẠO Kim đo du xích sử dụng phịng thí nghiệm để đo cao độ (hoặc độ sâu) tọa độ điểm (xem Hình 1) Thước cấu tạo phần sau: Du xích 20 1- Thước thép hình trụ có khắc vạch đến mm Một đầu thước có gắn kim nhỏ để tới điểm đo 2- Du xích dùng để xác định số đo thước Trên du xích có khắc vạch, số lượng vạch phần chia 1mm thước đo Các thước đo phịng thí nghiệm có độ xác đến 1/20mm (tương ứng du xích có 20 vạch) Số đo thước xác định theo vị trí vạch cịn lại du xích Bánh xe 10 Giá đỡ Kim Hình - Kim đo Du xích 3- Bánh xe có nhiệm vụ di chuyển thước trượt lên xuống cho đầu kim tiếp xúc vào bề mặt cần đo 5- Giá đỡ có nhiệm vụ giữ cho du xích cố định 31 II- CÁCH SỬ DỤNG 1- Dùng bánh xe di chuyển thước trượt lên xuống cho đầu kim tiếp xúc với mặt thoáng mặt nước cần đo (Lưu ý mặt thoáng lúc phải ổn định) 2- Đọc giá trị độ sâu mực nước Thước vạch “0” Du xích Thơng thường vạch “0” nằm khoảng hai vạch Thước, giá trị thực rơi vào khoảng 3- Xác định phần lẻ 1mm cịn lại: tìm vạch du xích mà trùng với vạch thước Phần lẻ 1mm lại số vạch trùng du xích nhân với 1/20mm Ví dụ: Ở bước 2, ta thấy vạch “0” nằm hai vạch 7,8 7,9 Thước Ở bước 3, ta thấy “15” Du xích trùng với vạch Thước Giá trị đo là: 7,8 + 15 (1/20)/10 = 7,8 + 0,075 = 7, 875cm (chia số 15 (1/20) cho 10 chuyển đơn vị từ mm sang cm) 32 Phụ lục 2a: Một số tính chất vật lý nước Nhiệt độ Trọng lượng riêng o C 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 75 80 85 90 95 100 Khối lượng riêng (KN/m3) (Kg/m3) 9.806 9.807 9.804 9.798 9.789 9.778 9.764 9.749 9.730 9.710 9.690 9.666 9.642 9.616 9.589 9.560 9.530 9.499 9.466 9.433 9.399 999.9 1000.0 999.7 999.1 998.2 997.1 995.7 994.1 992.2 990.2 988.1 985.7 983.2 980.6 977.8 974.9 971.8 968.6 965.3 961.9 958.4 Module đàn hồi Độ nhớt E (Kpa) (Pa.s) 2.04E6 2.06E6 2.11E6 2.14E6 2.20E6 2.22E6 2.23E6 2.24E6 2.27E6 2.29E6 2.30E6 2.31E6 2.28E6 2.26E6 2.25E6 2.23E6 2.21E6 2.17E6 2.16E6 2.11E6 2.07E6 1.792E-3 1.519E-3 1.308E-3 1.140E-3 1.002E-3 0.890E-3 0.801E-3 0.723E-3 0.656E-3 0.599E-3 0.549E-3 0.506E-3 0.469E-3 0.436E-3 0.406E-3 0.380E-3 0.357E-3 0.336E-3 0.317E-3 0.299E-3 0.284E-3 Độ nhớt động học (m2/s) 1.792E-6 1.519E-6 1.308E-6 1.141E-6 1.007E-6 0.897E-6 0.804E-6 0.727E-6 0.661E-6 0.605E-6 0.556E-6 0.513E-6 0.477E-6 0.444E-6 0.415E-6 0.390E-6 0.367E-6 0.347E-6 0.328E-6 0.311E-6 0.296E-6 Sức Áp suất căng bề mặt (N/m) Pv/g 7.62E-2 0.06 7.56E-2 0.09 7.48E-2 0.12 7.41E-2 0.17 7.36E-2 0.25 7.26E-2 0.33 7.18E-2 0.44 7.10E-2 0.58 7.01E-2 0.76 6.92E-2 0.98 6.82E-2 1.26 6.74E-2 1.61 6.68E-2 2.03 6.58E-2 2.56 6.50E-2 3.20 6.40E-2 3.96 6.30E-2 4.86 6.20E-2 5.93 6.12E-2 7.18 6.02E-2 8.62 5.94E-2 10.33 Phụ lục 2b: Tính chất vật lý khơng khí Nhiệt độ (oC) 20 25 30 35 40 45 Khối lượng riêng (kg/m3) 1.2047 1.1845 1.1649 1.1459 1.1275 1.1098 33 Độ nhớt động học (m2/s) 1.5111E-5 1.5571E-5 1.6036E-5 1.6507E-5 1.6982E-5 1.7462E-5 TÀI LIỆU THAM KHẢO Huỳnh Cơng Hồi, Fluid Mechanics laboratory manual Peter Lau, Calculation of flow rate from differential pressure devices – orifice plates, Sp Technical Research Institute of Sweden, 2008 34 ... viên hiểu rõ phương trình thủy tĩnh học biết vận dụng số vấn đề liên quan tới lưu chất không nén trạng thái tĩnh II NỘI DUNG LÝ THUYẾT I p0 p h z0 z 0 Hình 1.1 Trạng thái lưu chất tĩnh, không nén... thực lại bước thí nghiệm mục Ghi kết vào bảng (trong phúc trình thí nghiệm) III- HƯỚNG DẪN TÍNH TOÁN PHÚC TRÌNH 1- Tính lưu lượng chảy qua kênh Lưu lượng chảy qua kênh đo bờ tràn chữ nhật thông... NGHIỆM REYNOLDS I MỤC ĐÍCH Có hai trạng thái chuyển động lưu chất: trạng thái chảy tầng trạng thái chảy rối Hai trạng thái chảy lưu chất có tính chất khác hẳn sinh nguyên tắc khác gây nên tiêu tán