وسايل اندازه گيري شدت جريان

 

مقدمه :

در بررسي جريان ها هميشه مطالعه شدت جريان سيال به دليل وابستگي آن به عواملي مانند انرژي جريان اهميت زيادي دارد و تاثير عوامل مختلف بر شدت جريان سيال كه وابسته به فاكتورهاي مختلفي است, درنظر گرفته مي شود. لزجت سيال, دبي و مشخصات هندسي مقطع جريان  از عوامل مهم موثر بر شدت جريان مي باشند كه از عوامل شناسايي دستگاه اندازه گيري شدت جريان نيز مي باشند.

هدف از اين آزمايش بدست آوردن ضريب تخليه ونتوري، اورفيس و مندرج نمودن رتامتر و همچنين كاربرد معادله انرژي (معادله برنوي) در جريان يكنواخت مي باشد. افت انرژي مربوط به هريك از قسمتها تعيين شده و با يكديگر مقايسته مي شوند. علاوه بر اندازه گيري شدت جريان توسط وسايل فوق، ميزان تخليه ميز هيدروليكي اندازه گيري مي گردد و با هم مقايسته مي گردند. تغييرات ضريب افت انرژي برحسب شدت جريان مختلف محاسبه و با يكديگرمقايسه مي گردند.

دستگاه مورد استفاده در اين آزمايش از سه قسمت ونتوري، اوريفس و رتامتر تشكيل شده است كه با هريك از قسمتها مي توان به تنهايي شدت جريان را اندازه گيري نمود.

 

اصول نظري: دانيل برنولي با بكاربردن اصل بقاي انرژي در حركت سيالات غير قابل تراكم به معادله زير رسيد:

P1/(ρg)+VA2/(2g)+Z1= P2/(ρg)+VB2/(2g)+Z2+ΔH1-2

P/(ρg) : انرژي هيدرو استاتيكي سيال.

V2/(2g) : انرژي جنبشي سيال.

 Z: انرژي پتانسيل سيال.

P/(ρg)+V2/(2g)+Z : انرژي كلي سيال.

ΔH1-2  :افت در انرژي كلي بين مقاطع 1و2.

با توجه به معادله برنولي براي هريك از وسايل ونتوري، اويفس و رتامتر رابطه اي خاص مي توان بدست آورد.

 

ونتوري : كه از اتصال دو مخروط ناقص كه  توسط لوله هاي استوانه اي به ساير قسمتهاي دستگاه متصل شده اند و قطر لوله ورودي و خروجي ونتوري در اين آزمايش 26 ميليمتر و قطر آن در گلوگاه 16 ميليمتر مي باشد. و سه فشارسنج يكي در بخش ورودي, (A) يكي در محل خروجي (C)و ديگري در گلوگاه دستگاه (B) تعبيه شده اند.

با توجه به اينكه افت انرژي ΔH1-2 دردو انتهاي ونتوري ناچيز است مي توان از آن صرفنظر كرد. لذا كاربرد معادله 1برنولي بين انشعاب A و B بصورت زير نتيجه مي دهد:

P1/(ρg)+VA2/(2g) = P2/(ρg)+VB2/(2g)

 A: سطح مقطع

V : سرعت متوسط.

و چون طبق رابطه پيوستگي داريم:

ρVAAA=ρVBAB    mA=mB    è

باحذف VA در معادله برنولي خواهيم داشت:

VB=[2g/[1-(AB/AA)2](PA/ρg- PB/ρg]1/2

لذا ميزان تخليه خواهد بود:

Q=ABVB=AB[2g/[1-(AB/AA)2](PA/ρg- PB/ρg]1/2

Q=C .AB


1-(AB/AA)

2g (hA-hB)

 

كه در آن PA/ρg و PB/ρg به تر تيب ارتفاع آب در لوله هاي فشار سنج دستگاه مي باشد. حال در يك وضعيت اختياري با قرائت مانومترهاي A و Bو به كمك رابطه قبل ميزان شدت جريان آب را بدست مي آوريم. و سپس آن را با ميزان اندازه گيري شده توسط تانك توزين در ميز هيدروليكي مقايسته مي كنيم. چون رابطه قبل يك رابطه نظري است و ميزان واقعي شدت جريان از ميزان تئوري كمتر است مي توانيم با افزودن ضريب تخليه آن را اصلاح كنيم.

انبساط مخروطي : اين وسيله در امتداد ونتوري متر قرار داشته و بخش ابتدايي آن به صورت قطر خروجي ونتوري و بخش دوم آن كه به اوريفيس متصل مي باشد به قطر 51 ميليمتر مي باشد. دو فشارسنج C وD به ترتيب به ابتدا و انتهاي آن متصل مي باشند.

اوريفس : اين وسيله كه در امتداد انبساط مخروط انبساط و هم قطر با خروجي آن نصب شده است  شامل يك صفحه مدور مي باشدكه سوراخي به قطر 20 ميليمتر در مركز آن تعبيه شده است. اين وسيله به سبب شكل مشخصات هندسي معرفي شده در آن موجب ايجاد حركت گردابي در جريان شده كه به همين سبب افت فشار زيادي را موجب مي شود. فشارسنج هايE  وF نيز در ابتدا و انتهاي اوريفيس نصب شده اند.

با توجه به معادله برنولي بين نقاط E  و F  خواهيم ديد كه مقدار ΔH بسيار زياد است و مي توان ديد كه اثر افت انرژي اوريفس باعث ايجاد اختلاف در مانومتر خواهد بود كه با اختلاف ارتفاع در حالت بدون اوريفس فرق دارد.

VF2/2g-VE2/g=(PE/ρg- PF/ρg)- ΔHE-F

چون افت انرژي ΔHE-F خود در اختلاف ارتفاع (PE/ρg- PF/ρg) موثر است، لذا مي توان تغييرات انرژي در معادله فوق را بصورت زير بيان نمود.

VF2/2g-VE2/g=K2(PE/ρg- PF/ρg)

كه در آن K ضريب تخليه تخليه است و براي اين دستگاه 601/0 مي باشد.

براي اندازه گيري شدت جريان توسط اوريفس از فرمول زير استفاده مي شود.

  ½Q=AFVF=KAF[2g/(1-(AF/AE)2)x(PE/ρg- PF/ρg)]

كه در دستگاه فوق قطر E برابر با 5 ميلي متر و قطر F برابر با 20 ميلي متر است حال مي توانيم تنها با اندازه گيري اختلاف ارتفاع مانومتر ها شدت جريان Q را اندازه گرفت يعني :

Q= Const. X (hE-hF)½

زانويي قايم : براي اتصال اوريفيس به آخرين قسمت اصلي آن يعني رتامتر كه به صورت قايم قرار دارد از زانويي 90 درجه استفاده مي نماييم كه قطر ورودي آن 51 ميليمتر و قطر خروجي آن 21 ميليمتر مي باشد و فشار سنج هاي G و H نيز به ترتيب در ورودي و خروجي زانويي تعبيه شده اند.

رتا متر : اين بخش دستگاه از يك لوله شيشه اي استوانه اي عمودي با قطر متغير تشكيل شده كه درون آن وزنه اي فلزي به عنوان شاخص شناور مي باشد. در رتامتر افت فشار تقريباً ثابت بوده و به شدت جريان وابسته نيست و مي توان آن را به ميزان ثابت و مشخصي درنظر گرفت. دو فشارسنج H و I نيز در دو سمت رتامتر قرار داده شده اند.

با فرض كردن يك حجم كنترل در رتامتر و نوشتن قانون برنولي براي آن و مساوي فرض كردن سطح مقطع اول و دوم در آن خواهيم داشت

(PE/ρg- PF/ρg)=H+hH

حال اگر وزن مخروط شناور را WF و وزن آب داخل حجم كنترل را WW در نظر بگيريم  و با نوشتن رابطه تعادل خواهيم داشت:

P2A2+WF+WW-P1A2=0

كه با حذف P1 و P2 بين معادلات خواهيم داشت:

WF+WW

rgA1

hH=                     - H

چون تمام پارامترهاي سمت راست ثابت هستند لذا افت انرژي هيچ ربطي به طول ℓ ندارد.
و چون افت انرژي به سرعت آب در اطراف شناور بستگي دارد و افت انرژي ثابت است پس شدت جريان در محيط قاعده مخروط شناور بايد ثابت باشد.

Q=( pDfqV) ℓ

Q=AF.V

AF=pDfd

d=ℓ*q

پس شدت جريان در رتامتر نسبت مستقيم با ارتفاع مخروط شناور دارد. لذا براي هر رتامتري يك نمودار تقريباً خطي به عنوان مشخصه درجه بندي ترسيم مي شود. كه به كمك آن مي توان شدت جريان را تعيين نمود.

افت انرژي در هر قسمت را مي توان مضربي از انرژي ورودي بيان كرد hL=KV12/2g  كه در آن V1 سرعت ورودي و K ضريب افت دستگاه است.

شرح آزمايش : 

پس از روشن نمودن پمپ دستگاه ميز هيدروليكي ابتدا شير ورودي جريان آب و شير كنترل رتامتر را كاملاً باز مي كنيم تا يك دبي ثابتي به دستگاه وارد شود و مشاهده مي شود كه آب در رتامتر و بخش هاي مختلف دستگاه جريان يافته و در لوله هاي اندازه گيري فشار نيز سطح آب بالا آمده و نوسان مي كند. اين نوسان اوليه با گذشت مدت زمان كمي كاهش يافته و سطح آب در فشارسنج ها به صورت تقريباً ثابتي باقي مي ماند كه مي توان در اين وضعيت ادعا كرد كه جريان يكنواختي در دستگاه برقرار شده است. حال به آرامي شدت جريان را طوري تنظيم مي كنيم كه وزنه درون رتامتر كه شاخص به حساب مي آيد برروي عدد مورد نظر در شروع آزمايش قرار گيرد كه در اولين برداشت اين عدد معادل 19 بود. حال ميز هيدروليكي را در حالتي قرار مي دهيم كه آب به صورت دايمي تخليه گردد.با يكنواخت شدن جريان و در حالي كه شاخص رتامتر روي  اولين عدد قرار دارد ,  مانومترهاي موجودبر روي دستگاه را به ترتيب از A تا I قرائت مي كنيم و سپس آب را كاملاً تخليه كرده و دبي را اندازه گيري مي نماييم . دانلود کتاب مهندسی و جزوات کارشناسی رشد بتن و سازه

جدول داده ها :

Time {sec)

Water weight (KG)

Rotameter (cm)

Manometric Levels (mm)

Test No

I

H

G

F

E

D

C

B

A

31.02

12

19

25

137

184

148

348

340

333

184

367

1

34.90

12

17

53

162

200

170

338

330

323

195

347

2

40.27

12

15

83

190

218

195

322

315

310

213

331

3

46.86

12

13

105

208

230

213

310

304

300

228

316

4

52.59

12

11

120

225

240

225

300

297

294

235

307

5

1.05.81

12

9

135

248

250

240

290

290

285

245

295

6

1.17.51

12

7

148

248

256

250

285

284

280

253

288

7

1.36.53

12

5

155

256

261

258

280

280

275

260

280

8

2.12.07

12

3

163

265

268

265

276

276

276

265

296

9

Test No

Elbow (17)

Diffusser

Rotameter (15)

Orifice (14)

Venturi (13)

Tank Weight

Rotameter (12)

Orifice (11)

Venturi (8)

24.73

1.16

3.61

105.3

1.096

0.00039

0.00046

0.00064

0.00048

1

25.33

1.22

4.36

112

0.96

0.00034

0.00043

0.00059

0.00044

2

23.33

1.20

5.63

105.8

1.11

0.0003

0.00037

0.00051

0.00039

3

24.44

1.22

7.36

107.8

1.14

0.00026

0.00037

0.00045

0.00033

4

22.67

1.19

8.58

100

1.08

0.00023

0.0003

0.00039

0.0003

5

4

1.56

14.12

100

1.25

0.00018

0.00026

0.00032

0.00025

6

21.62

1.60

16.67

112.9

1.33

0.00015

0.00022

0.00027

0.00021

7

27.78

2.60

33.67

122.2

1.67

0.00012

0.00018

0.00031

0.00017

8

100

0.937

204

366.7

 

0.00009

0.00015

0.00015

0.00016

9

ونتوری :

K

C

Test No

1.096

0.031

0.034

0.183

0.81

0.00048

0.00039

1

0.96

0.025

0.024

0.152

0.77

0.00044

0.00034

2

1.11

0.019

0.021

0.118

0.77

0.00039

0.0003

3

1.14

0.014

0.016

0.088

0.79

0.00033

0.00026

4

1.08

0.012

0.013

0.072

0.77

0.0003

0.00023

5

1.25

0.008

0.01

0.05

0.72

0.00025

0.00018

6

1.33

0.006

0.008

0.035

0.71

0.00021

0.00015

7

1.67

0.003

0.005

0.02

0.71

0.00017

0.00012

8

 

0.0005

0.002

0.0031

0.56

0.00016

0.00009

9

اوريفيس :

K

C

Test No

105.3

0.0019

0.61

0.2

0.00064

0.00039

1

112

0.0015

0.58

0.168

0.00059

0.00034

2

105.8

0.0012

0.59

0.127

0.00051

0.0003

3

107.8

0.0009

0.58

0.097

0.00045

0.00026

4

100

0.00075

0.60

0.075

0.00039

0.00023

5

100

0.0005

0.50

0.05

0.00032

0.00018

6

112.9

0.00037

0.55

0.035

0.00027

0.00015

7

122.2

0.00018

0.57

0.022

0.00031

0.00012

8

366.7

0.00003

0.60

0.011

0.00015

0.00009

9

 روتامتر :

Test No

K

1

0.00039

0.00046

0.112

0.031

3.61

2

0.00034

0.00043

0.109

0.025

4.36

3

0.0003

0.00037

0.107

0.019

5.63

4

0.00026

0.00037

0.103

0.014

7.36

5

0.00023

0.0003

0.103

0.012

8.58

6

0.00018

0.00026

0.113

0.008

14.12

7

0.00015

0.00022

0.1

0.006

16.67

8

0.00012

0.00022

0.101

0.003

33.67

9

0.00009

0.00015

0.102

0.0005

204

 افت انرژی در زانوئی 90 درجه :

K

X (m)

Test No

24.73

0.0019

 

0.047

1

25.33

0.0015

 

0.038

2

23.33

0.0012

 

0.028

3

24.44

0.0009

 

0.022

4

22.67

0.00075

 

0.017

5

4

0.0005

 

0.002

6

21.62

0.00037

 

0.008

7

27.78

0.00018

 

0.005

8

100

0.00003

 

0.003

9

افت انرژی در انبساط مخروطی :

K

X (m)

Test No

1.16

0.031

0.036

0.007

1

1.22

0.025

0.030

0.007

2

1.20

0.019

0.022

0.005

3

1.22

0.014

0.017

0.004

4

1.19

0.012

0.014

0.003

5

1.56

0.008

0.012

0.005

6

1.60

0.006

0.010

0.004

7

2.60

0.003

0.008

0.005

8

0.937

0.0005

0.0004

0

9

 محاسبه درصد بهبود فشار :

 = درصد بهبود فشار در دهانه مدور R

R %

 

82 %

0.00039

82.1 %

0.00034

81.9 %

0.0003

82.4 %

0.00026

80 %

0.00023

80 %

0.00018

82.9 %

0.00015

86.4 %

0.00012

72.7 %

0.00009