جریان در لوله ها و شیپوره ها

جريان در قسمت همگرا هميشه زيرصوتي است، ‌اما در گلوگاه مي‌تواند صوتي باشد. اعداد ماخ بزرگتر از يك را در نازل همگرا نمي‌توان ايجاد كرد. در قسمت واگرا جريان مي‌تواند زيرصوتي يا فوق‌صوتي باشد. عمل قسمت واگرا در دو حالت كاملاً با هم تفاوت دارد. در جريان زير صوتي عمل قسمت واگرا اين است كه سرعت را كاهش و طبق معادلة برنولي، فشار را بازيابي مي‌كند. يك كاربرد مهم اين نازل‌ها اندازه‌گيري جريان سيال است.

· تأثير اصطكاك در لوله ها

جريان در لوله‌هاي مستقيم با مقطع عرضي ثابت، با صرفنظر از انتقال گرما از ديوارة لوله، ‌آدياباتيك است. لوله‌اي كه گاز با فشار و دماي معين وارد آن مي‌شود و آهنگ جريان آن توسط طول و قطر لوله و فشار خروجي تعيين مي‌شود، نمونه‌اي از جريان اصطكاكي آدياباتيك است. در خطوط بلند و با فشار خروجي كم، ‌سرعت گاز مي‌تواند به سرعت صوت برسد. ولي غيرممكن است گاز در حالت زيرصوتي و يا فوق‌صوتي، ‌از سد صوتي عبور كند؛ ‌اگر گاز با عدد ماخ بزرگتر از 1 وارد لوله شود،‌ عدد ماخ كمتر مي‌شود ولي كمتر از 1 نمي‌شود. اگر با حفظ فشار خروجي ثابت و با افزايش طول لوله، ‌تلاش به عمل آيد تا گاز از جريان زير صوتي به فوق صوتي يا برعكس تبديل شود، ‌آهنگ جريان جرمي كاهش مي‌يابد تا از اين تبديل جلوگيري كند. اين اثر را خفگي مي‌گويند.

پارامتر اصطكاك،‌f l/rH كميت اصلي براي اندازه‌گيري اصطكاك است. در جريان اصطكاكي ادياباتيك، ‌دماي گاز تغيير مي‌كند،‌ ويسكوزيته نيز تغيير مي‌كند و عدد رينولدز و ضريب اصطكاك ثابت نيستند. ولي در جريان گازها تأثير دما بر ويسكوزيته ناچيز ست و عدد رينولدز بر ضريب اصطكاك f نيز تأثير چنداني ندارد. همچنين تغيير دما كوچك است مگر اينكه عدد ماخ تقريباً ‌يك باشد. بهتر است از مقدار متوسط f به عنوان يك ثابت در محاسبات استفاده شود. در صورت لزوم مي‌توان f را در دو سر مجرا محاسبه و از ميانگين حسابي به عنوان يك ثابت استفاده كرد.

· اثر اتصالات و زانويي ها بر سيال

اتصالات و شير ها خطوط جريان عادي را آشفته كرده و اصطكاك ايجاد مي‌كند. در خطوط كوتاه با اتصالات بسيار، ‌اتلاف اصطكاكي ناشي از اتصالات، ممكن است بزرگتر از اتلاف اصطكاكي ناشي از لولة مستقيم باشد. اتلاف اصطكاكي ناشي از اتصالات از معادلة زير به دست مي‌آيد

كه در آن ضريب افت اتصال و سرعت متوسط در لولة منتهي به اتصال است.

· مكش اصطكاكي در لوله‌ها

مقداري از انرژي سيال در هنگام حركت در درون يك كانال به علت وجود ناصافي جدار و غلظت سيال از بين مي‌رود. معادله‌اي كه در اين مورد به كار مي‌رود، هرگاه افت فشار بين دو نقطه از يك لوله را به ∆h نشان دهيم خواهيم داشت:

شرح دستگاه

دستگاه آزمايش تشكيل شده از يك لولة طويل با قطر داخلي 76 ميليمتر كه در نقاط معيني از آن روزنه‌هايي تعبيه شده است و اين روزنه ها به وسيلة لوله‌هاي پلاستيكي به لوله‌هاي شيشه‌اي روي تابلوي اندازه‌گيري فشار وصل مي‌گردد. كه با كمك آنها مي‌شود هنگاميكه جريان در لوله برقرار است، ‌فشار استاتيك را در اين مقاطع به دست‌آورد. روي تابلوي اندازه گيري فشار، ‌20 عدد لولة شيشه‌اي نصب شده است كه داخل آن آب مي ريزند و سطح آب داخل آنها به وسيلة ظرف متصل يه تمام لوله ها و دستة بالاي تابلو قابل تنظيم است.

كليدهاي دستگاه و پيچ تغيير سرعت دمنده بر روي تابلويي در زير آن واقع است و سرعت دمنده به وسيلة پيچ واقع بر روي اين جعبه تنظيم مي‌شود. وسيلة چرخاندن دمنده يك موتور الكتريكي است كه حركت آن به وسيلة يك تسمة دندانه‌دار و با كمك دو پولي كه در روي محور موتور و دمنده نصب شده است،‌منتقل مي شود و نسبت پولي‌ها است. نيروي وارده به استاتور موتور به كمك نيروسنج متصل به آن و شاخص، قابل اندازه‌گيري است و دور آن با دور شمار متصل به شاسي موتور قابل خواندن است.

براي دمنده سه نوع پره در نظر گرفته مي‌شود:

backward ،forward‌ و radial

پرة خم به عقب (backwad): خم اين پره ها در جهت حركت نيست و همين امر باعث مي‌شود كه حجم بيشتري از سيال را منتقل كند. ميزان افزايش فشار نسبت به پره هاي ديگر كم است.

پرة خم به جلو (forward): خم اين پره ها در جهت حركت است و باعث مي‌شود كه فشار را نسبت به پره هاي ديگر بيشتر افزايش دهد.

پرة شعاعي (radial): اين پره ها، خمي به صورت مستقيم و عمودي دارند.

دستگاه داراي دو شيپوره با قطر اسمي 50 و 70 ميليمتر است كه فشار محوري آنها را مي توان با كمك فشار سنج محوري كه به پيچ ميكرومتري مجهز است، خواند و علاوه بر اين 3 عدد زانويي و 2 عدد روزنه براي اين دستگاه در نظر گرفته شده است.

روش آزمايش

آزمايش اول

· هدف

1- نحوة تعيين فشار استاتيك در نقاط مختلف از محور شيپوره 50 و ترسيم نمودار آن از طريق عملي و تئوري.

2- نحوة تغيير فشار استاتيك در امتداد مسير سيال،‌ در شيپورك 50 و لولة 76 ميليمتري و رسم نمودار.

مي‌دانيم به علت تغيير سطح مقطع در نقاط مختلف نازل 50 فشار استاتيك در نقاط مختلف آن تغيير خواهد كرد و نيز مي‌دانيم در اثر بزرگ شدن ناگهاني مقطع،‌ افت فشار خواهيم داشت. توجه داريم كه در محل اتصال لوله به نازل 50 يك تغيير قطر ناگهاني از 50 به 76 ميليمتر وجود دارد.

· چگونگي انجام آزمايش

شيپورة 50 ميليمتري را همراه با فشار سنج محوري كه مجهز به تنظيم ميكرومتري است، در ابتداي لوله نصب كرده و لولة پلاستيكي پيزومتر شمارة صفر را به انتهاي فشار سنج وصل مي‌كنيم. سپس سطح آب داخل مانومترها را برروي يك ارتفاع 16 سانتي متر مشخص تنظيم مي‌كنيم. روزنة فشار سنج محوري را به كمك يك صفحة كاغذ در لبة نازل يعني Ln=0 تنظيم كرده و شير كشويي دمنده را روي 100%‌ تنظيم مي‌كنيم. دمنده را روشن كرده و با چرخاندن پيچ تنظيم دور به آهستگي يك دبي به مناسب براي دمنده انتخاب كرده و در تمام مدت از دمندة backward استفاده مي‌كنيم.

هر واحد روي ميكرومتر، برابر با 0.1 ميليمتر است و لذا به ازاي هر دور چرخش پيچ روزنه 2 ميليمتر جا به جا خواهد شد.

مقادير h˚ روزنه به داخل شيپوره 8 ميليمتر به 8 ميليمتر مي‌خوانيم. مقادير فشار هاي h1 تا h11 را براي اين درصد از دهانة كشو از روي مانومترهاي متصل به لوله‌ها مي‌خوانيم. فشار بارومتري را از روي بارومتر نصب شده در آزمايشگاه خوانده و دماي هواي محيط را يادداشت مي‌كنيم.

· فرمولها

كه در آن Q دبي حجمي به متر مكعب بر ثانيه است. اگر سطح گلوگاه نازل 50 به متر مربع و K ضريب اين نازل و h1 فشار گلوگاه خوانده شده از مانومتر 1 به سانتيمتر آب و T دماي مطلق هواي آزمايشگاه و Pa فشار محيط به نيوتن بر مترمربع باشد.

براي تعيين مقدار تئوري h فشار در نقاط مختلف شيپوره 50 ميليمتري از فرمول زير استفاده مي‌شود و اين مقدار تئوري فشار خواهد بود.

كه در آن Pa فشار آزمايشگاه به نيوتن بر متر مربع، T دماي آزمايشگاه به كلوين، Q دبي حجمي به متر مكعب بر ثانيه و A سطح مقطع نازل در محلي است كه مقدار h را مي خواهيم به دست آوريم،‌ به متر مربع.

	Q	h تئوري	h	L (cm)
7.85	0.247	13.94	14	0
4.7	0.247	17.33	14.6	8
3.75	0.247	19.13	15.4	16
3.15	0.247	20.65	16.2	24
2.73	0.247	22	17.2	32
2.44	0.247	23.23	18.2	40
2.23	0.247	23.8	19.3	48
2.09	0.247	24.1	20.3	56
2	0.247	24.3	21	64
1.96	0.247	25	22.9	72
1.97	0.247	25.5	24	80
2.19	0.247	26.1	25	100
2.8	0.247	26	25.8	120

6250	52220	4220	2320	1220	820	620	420	320	220	175	145	L
23.1	24.1	23.5	22.6	22.1	21.4	21.3	21.2	21.3	21.8	25.6	25.7	H

آزمايش دوم: زانوییها

اتصالاتي كه در آزمايش به كار برده مي شوند عبارتند از: زانويي ساده، خم و پره دار.

· چگونگي انجام آزمايش

شيپورة 50 را به ابتداي لوله بسته و شير كشويي را حدود 75%‌باز مي‌كنيم. موتور را روشن كرده و با تغيير دور دمنده دبي مناسبي انتخاب مي‌كنيم. در اين حالت افت فشار گلوگاه نازل و افت فشار نقطة 11 را يادداشت مي كنيم.

يكي از زانو ها را به لوله مي‌بنديم و نازل را به ابتداي لوله وصل مي‌كنيم. به‌طوريكه زانو بين شيپوره و نازل قرار بگيرد. حال با تغيير شير كشويي و يا در صورت لزوم با تغيير دور دمنده چنان شدت جرياني در لوله برقرار كنيد كه افت گلوگاه شيپوره‌ها مانند حالت قبل باشد. كه در اين صورت شدت جريان حجمي مساوي شدت جريان حجمي قبل از نصب زانو خواهد بود. در اين حالت نيز افت فشار نقطة 11 را يادداشت مي‌كنيم.

دليل انتخاب نقطة 11 براي اندازه گيري فشار اين است كه به علت وجود اتصال در مسير اغتشاش در جريان وجود دارد و در نقطة 11 اين اغتشاشات از بين رفته است. همين آزمايش را براي دو زانويي ديگر و نيز براي لولة بدون زانويي تكرار مي‌كنيم و افت فشار نقطة 11 را يادداشت مي‌كنيم. ازدياد افت فشار نقطة 11 به علت وجود اتصالاتي است كه در مسير سيال قرار گرفته است.

زانويي پره دار	زانويي خم	زانويي ساده	لوله مستقيم
20.2	20.2	20.2	20.2
25	24.8	25.8	21.3	H10
4.8	4.6	5.6	1.3
0.52	0.35	0.77	--------	K

· بحث و نتيجه گيري

درآزمايش فوق مشاهده مي‌شود كه افت فشار در زانويي ساده بيشتر از زانويي پره‌دار و در پره دار بيشتر از زانويي خم و آن هم بيشتر از لولة مستقيم است. وقتي كه علاوه بر تغيير جهت جريان، افت فشار زيادي نياز باشد، ‌از زانويي ساده استفاده مي‌شود اما اگر فقط تغيير جهت مورد نظر باشد، از زانويي پره دار استفاده مي‌كنيم كه كمترين افت فشار را ايجاد مي‌كند.

آزمايش سوم

هر يك از روزنه هاي لبه تيز را مي توان در ورودي لوله قرار داد و مشخصات آن را به عنوان وسيلة اندازه‌گيري مورد استفاده قرار داد. كه در اين صورت افت فشار دو طرف روزنه عبارت خواهد بود از افت فشار نقطة 1 براي محاسبه جريان ورودي از معادلة

استفاده مي‌شود. در فرمول بالا K ضريب روزنه ها كه مساوي 0.6 است و d قطر روزنه كه در d3=49.99mm و d2=38.05mm و d1=25mm

T , P دما و فشار آزمايشگاه است.

1- براي دريچة 50%

Q
0.018	21.1
0.043	22.4
0.0773	23.4

3- برای دریچه 100%

Q
0.018	21.2
0.0439	22.6
0.0768	23.1

· بحث و نتيجه گيري:

در روزنه با افزايش سطح مقطع دبي حجمي جريان سيال افزايش مي‌يابد كه از نظر تئوري قابل توجيه است.

آزمايش چهارم

طرز كار دمنده ها.

قبل از شروع آزمايش دما وفشار هوا را اندازه مي گيريم.

لوله را از دفيوز جدا كرده و شيپورة 50 ميليمتر را به دهانة دفيز وصل مي كنيم و سپس لولة پلاستيكي را به روزنة گلوگاه نازل براي اندازه گيري فشار گلوگاهي و در نتيجه تعيين دبي جريان وصل مي كنيم.

يكي از سه نوع پره را در دمنده قرار داده ( پرة backward ) و دريچه را روي 20% ‌مي گذاريم. سرعت دمنده را 2100 انتخاب كرده و تا پايان آزمايش ثابت نگه مي داريم.

فشار هاي h˚ گلوگاه نازل و h15 وh16 را يادداشت مي‌كنيم. Q را نيز اندازه گرفته و يادداشت مي‌كنيم.

آزمايش را براي سه وضعيت ديگر دريچه در 50% ‌و 75% ‌و 100% تكرار مي‌كنيم.

فرمولها:

فشار كلي دمنده

قدرت كلي دمنده كه در واقع كار مفيد انجام شده است

شدت جريان جرمي

قدرت داده شده توسط موتور به دمنده

در اثر وجود ياتاقانها و تسمه مقداري افت وجود دارد كه براي تعيين آن مي‌شود پره را باز كرده و محور را با همان سرعت به چرخش واداشت و در اين حال افت محرك از رابطة مقابل به دست مي آيد:

قدرت واقعي پره

راندمان پره

سرعت متوسط هوا در ورود يا خروج از دمنده

%100	% 50
22.1	20.2
25.3	22.7
15.3	12.5
11	9.5	F (N)
2100	2100	N1 RPM
433	374	Wsh
95	95	Wl
338	279	Wim
984	994	) Ps (
0.065	0.054	) Q (
63.76	53.50	Wair
18.86	19.18	η
2.64	2.19
2.4	2.4	F' (N)

· بحث و نتيجه گيري

در نمودار فاصله از نوك شيپوره بر حسب افت فشار، ‌هر چه از نوك شيپوره فاصله مي‌گيريم، افت فشار ( فشار استاتيكي) افزايش مي‌يابد چون سطح مقطع شيپوره كاهش يافته است.

در طول منحني فشار استاتيكي ثابت است چون سطح مقطع شيپوره از اين نقطه به بعد، ‌ثابت بوده است. با توجه به اينكه در حالت تئوري و عملي اين نمودارها با هم برابرند، ‌ولي در يك طول خاصي حالت انحراف تئوري از عملي بيشتر است چرا كه رابطة h تئوري براي داخل نازل صادق است در فاصله اي كه سطح مقطع ثابت فرمول كارايي ندارد.

در تئوري، ‌افت فشار در اين قسمت كم مي‌شود اما در عمل مي بينيم كه ثابت است.

در آزمايش مربوط به زانويي‌هاي مختلف، ‌هر زانويي افت فشار مخصوص به خود را ايجاد مي‌كند. اول زانويي ساده، بعد زانويي پره دار،‌بعد زانويي خم و آخر از همه لولة مستقيم به ترتيب بيشترين افت فشار را ايجاد مي‌كنند.

در نمودار فشار بر حسب طول لوله، ‌در ابتدا كه با شيپوره مواجهيم،‌ سطح مقطع در طول شيپوره تغيير مي‌كند. با كاهش سطح مقطع سرعت زياد شده و فشار كم مي‌شود. در جايي كه لوله به شيپوره وصل مي‌شود، افزايش ناگهاني سطح مقطع داريم كه سرعت كم مي‌شود و فشار زياد مي‌شود. منحني از اين نقطه به بعد سير صعودي دارد. در طول لوله اصطكاك جداري وجود دارد كه باعث افت فشار كمتري نسبت به حالت قبل مي شود و تقريباً ‌به صورت خط راست است.

در دمنده‌ها با افزايش دبي،‌ بازده افزايش مي‌يابد و نمودار بازده برحسب دبي صعودي است. با افزايش دبي قدرت داده شده از پره به سيال زياد شده، لذا بازده افزايش مي‌يايد.

افت فشار كلي دمنده ناشي از تغيير دبي چندان تغيير نمي‌كند و به همين طريق نيز در اثر تغيير سرعت ،‌تغيير چنداني در افت فشار نداريم

جریان در لوله ها و شیپوره ها

شرح دستگاه

روش آزمايش

مطالب مشابه :

گزارش کار آزمایشگاه مکانیک سیالات(کانال های رو باز)

جریان در لوله ها و شیپوره ها

گزارش کار دبي سنجی سيالات

انتقال حرارت به روش جابجایی

گزارش کار دبي سنجی سيالات

آیرودینامیک اتومبیل

گزارش کار اندازه گیری دبی با استفاده از اختلاف فشار

گزارش کار آزمایشگاه سیالات

تعریف نظریه از برای صدرالدین عزیز

گزارش کار اندازه گیری دبی با استفاده از اختلاف فشار