مهندسی عمران ایران
مطالب عمومی مهندسی عمران معماری شهرسازیمهندسی عمران ایران
مطالب عمومی مهندسی عمران معماری شهرسازیوسایل اندازه گیری شدت جریان
وسایل اندازه گیری شدت جریان
مقدمه :
در بررسی جریان ها همیشه مطالعه شدت جریان سیال به دلیل وابستگی آن به عواملی مانند انرژی جریان اهمیت زیادی دارد و تاثیر عوامل مختلف بر شدت جریان سیال که وابسته به فاکتورهای مختلفی است, درنظر گرفته می شود. لزجت سیال, دبی و مشخصات هندسی مقطع جریان از عوامل مهم موثر بر شدت جریان می باشند که از عوامل شناسایی دستگاه اندازه گیری شدت جریان نیز می باشند.
هدف از این آزمایش بدست آوردن ضریب تخلیه ونتوری، اورفیس و مندرج نمودن رتامتر و همچنین کاربرد معادله انرژی (معادله برنوی) در جریان یکنواخت می باشد. افت انرژی مربوط به هریک از قسمتها تعیین شده و با یکدیگر مقایسته می شوند. علاوه بر اندازه گیری شدت جریان توسط وسایل فوق، میزان تخلیه میز هیدرولیکی اندازه گیری می گردد و با هم مقایسته می گردند. تغییرات ضریب افت انرژی برحسب شدت جریان مختلف محاسبه و با یکدیگرمقایسه می گردند.
دستگاه مورد استفاده در این آزمایش از سه قسمت ونتوری، اوریفس و رتامتر تشکیل شده است که با هریک از قسمتها می توان به تنهایی شدت جریان را اندازه گیری نمود.
اصول نظری: دانیل برنولی با بکاربردن اصل بقای انرژی در حرکت سیالات غیر قابل تراکم به معادله زیر رسید:
P1/(ρg)+VA2/(2g)+Z1= P2/(ρg)+VB2/(2g)+Z2+ΔH1-2
P/(ρg) : انرژی هیدرو استاتیکی سیال.
V2/(2g) : انرژی جنبشی سیال.
Z: انرژی پتانسیل سیال.
P/(ρg)+V2/(2g)+Z : انرژی کلی سیال.
ΔH1-2 :افت در انرژی کلی بین مقاطع 1و2.
با توجه به معادله برنولی برای هریک از وسایل ونتوری، اویفس و رتامتر رابطه ای خاص می توان بدست آورد.
ونتوری : که از اتصال دو مخروط ناقص که توسط لوله های استوانه ای به سایر قسمتهای دستگاه متصل شده اند و قطر لوله ورودی و خروجی ونتوری در این آزمایش 26 میلیمتر و قطر آن در گلوگاه 16 میلیمتر می باشد. و سه فشارسنج یکی در بخش ورودی, (A) یکی در محل خروجی (C)و دیگری در گلوگاه دستگاه (B) تعبیه شده اند.
با توجه به اینکه افت انرژی ΔH1-2 دردو انتهای ونتوری ناچیز است می توان از آن صرفنظر کرد. لذا کاربرد معادله 1برنولی بین انشعاب A و B بصورت زیر نتیجه می دهد:
P1/(ρg)+VA2/(2g) = P2/(ρg)+VB2/(2g)
A: سطح مقطع
V : سرعت متوسط.
و چون طبق رابطه پیوستگی داریم:
ρVAAA=ρVBAB mA=mB è
باحذف VA در معادله برنولی خواهیم داشت:
VB=[2g/[1-(AB/AA)2](PA/ρg- PB/ρg]1/2
لذا میزان تخلیه خواهد بود:
Q=ABVB=AB[2g/[1-(AB/AA)2](PA/ρg- PB/ρg]1/2
 |
|
|
که در آن PA/ρg و PB/ρg به تر تیب ارتفاع آب در لوله های فشار سنج دستگاه می باشد. حال در
یک وضعیت اختیاری با قرائت مانومترهای A و Bو به کمک رابطه قبل
میزان شدت جریان آب را بدست می آوریم. و سپس آن را با میزان اندازه گیری شده توسط
تانک توزین در میز هیدرولیکی مقایسته می کنیم. چون رابطه قبل یک رابطه نظری است و
میزان واقعی شدت جریان از میزان تئوری کمتر است می توانیم با افزودن ضریب تخلیه آن
را اصلاح کنیم.
انبساط مخروطی : این وسیله در امتداد ونتوری متر قرار داشته و بخش ابتدایی آن به صورت قطر خروجی ونتوری و بخش دوم آن که به اوریفیس متصل می باشد به قطر 51 میلیمتر می باشد. دو فشارسنج C وD به ترتیب به ابتدا و انتهای آن متصل می باشند.
اوریفس : این وسیله که در امتداد انبساط مخروط انبساط و هم قطر با خروجی آن نصب شده است شامل یک صفحه مدور می باشدکه سوراخی به قطر 20 میلیمتر در مرکز آن تعبیه شده است. این وسیله به سبب شکل مشخصات هندسی معرفی شده در آن موجب ایجاد حرکت گردابی در جریان شده که به همین سبب افت فشار زیادی را موجب می شود. فشارسنج هایE وF نیز در ابتدا و انتهای اوریفیس نصب شده اند.
با توجه به معادله برنولی بین نقاط E و F خواهیم دید که مقدار ΔH بسیار زیاد است و می توان دید که اثر افت انرژی اوریفس باعث ایجاد اختلاف در مانومتر خواهد بود که با اختلاف ارتفاع در حالت بدون اوریفس فرق دارد.
VF2/2g-VE2/g=(PE/ρg- PF/ρg)- ΔHE-F
چون افت انرژی ΔHE-F خود در اختلاف ارتفاع (PE/ρg- PF/ρg) موثر است، لذا می توان تغییرات انرژی در معادله فوق را بصورت زیر بیان نمود.
VF2/2g-VE2/g=K2(PE/ρg- PF/ρg)
که در آن K ضریب تخلیه تخلیه است و برای این دستگاه 601/0 می باشد.
برای اندازه گیری شدت جریان توسط اوریفس از فرمول زیر استفاده می شود.
½Q=AFVF=KAF[2g/(1-(AF/AE)2)x(PE/ρg- PF/ρg)]
که در دستگاه فوق قطر E برابر با 5 میلی متر و قطر F برابر با 20 میلی متر است حال می توانیم تنها با اندازه گیری اختلاف ارتفاع مانومتر ها شدت جریان Q را اندازه گرفت یعنی :
Q= Const. X (hE-hF)½
زانویی قایم : برای اتصال اوریفیس به
آخرین قسمت اصلی آن یعنی رتامتر که به صورت قایم قرار دارد از زانویی 90 درجه استفاده می
نماییم که قطر ورودی آن 51 میلیمتر و قطر خروجی آن 21 میلیمتر می
باشد و فشار سنج های G و H نیز به ترتیب در ورودی و خروجی زانویی تعبیه شده اند.
رتا متر : این بخش دستگاه از یک لوله شیشه ای استوانه ای عمودی با قطر متغیر تشکیل شده که درون آن وزنه ای فلزی به عنوان شاخص شناور می باشد. در رتامتر افت فشار تقریباً ثابت بوده و به شدت جریان وابسته نیست و می توان آن را به میزان ثابت و مشخصی درنظر گرفت. دو فشارسنج H و I نیز در دو سمت رتامتر قرار داده شده اند.
با فرض کردن یک حجم کنترل در رتامتر و نوشتن قانون برنولی برای آن و مساوی فرض کردن سطح مقطع اول و دوم در آن خواهیم داشت
(PE/ρg- PF/ρg)=H+hH
حال اگر وزن مخروط شناور را WF و وزن آب داخل حجم کنترل را WW در نظر بگیریم و با نوشتن رابطه تعادل خواهیم داشت:
P2A2+WF+WW-P1A2=0
که با حذف P1 و P2 بین معادلات خواهیم داشت:
|
|
hH= - H
چون تمام پارامترهای سمت راست ثابت هستند لذا افت انرژی هیچ
ربطی به طول ℓ ندارد.
و چون افت انرژی به سرعت آب در اطراف شناور بستگی دارد و افت انرژی ثابت است پس
شدت جریان در محیط قاعده مخروط شناور باید ثابت باشد.
|
Q=AF.V
AF=pDfd
d=ℓ*q
پس شدت جریان در رتامتر نسبت مستقیم با ارتفاع مخروط شناور دارد. لذا برای هر رتامتری یک نمودار تقریباً خطی به عنوان مشخصه درجه بندی ترسیم می شود. که به کمک آن می توان شدت جریان را تعیین نمود.
افت انرژی در هر قسمت را می توان مضربی از انرژی ورودی بیان کرد hL=KV12/2g که در آن V1 سرعت ورودی و K ضریب افت دستگاه است.
شرح آزمایش :
پس از روشن نمودن پمپ دستگاه میز هیدرولیکی ابتدا شیر ورودی جریان آب و شیر کنترل رتامتر را کاملاً باز می کنیم تا یک دبی ثابتی به دستگاه وارد شود و مشاهده می شود که آب در رتامتر و بخش های مختلف دستگاه جریان یافته و در لوله های اندازه گیری فشار نیز سطح آب بالا آمده و نوسان می کند. این نوسان اولیه با گذشت مدت زمان کمی کاهش یافته و سطح آب در فشارسنج ها به صورت تقریباً ثابتی باقی می ماند که می توان در این وضعیت ادعا کرد که جریان یکنواختی در دستگاه برقرار شده است. حال به آرامی شدت جریان را طوری تنظیم می کنیم که وزنه درون رتامتر که شاخص به حساب می آید برروی عدد مورد نظر در شروع آزمایش قرار گیرد که در اولین برداشت این عدد معادل 19 بود. حال میز هیدرولیکی را در حالتی قرار می دهیم که آب به صورت دایمی تخلیه گردد.با یکنواخت شدن جریان و در حالی که شاخص رتامتر روی اولین عدد قرار دارد , مانومترهای موجودبر روی دستگاه را به ترتیب از A تا I قرائت می کنیم و سپس آب را کاملاً تخلیه کرده و دبی را اندازه گیری می نماییم .
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 |
اوریفیس :
|
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 |
