X
تبلیغات
دریچه ای رو به شیمی - گزارش کار آزمایشگاه صنعتی 2 کانالهای رو باز

کانالهای رو باز

 

هدف از آزمایش : بررسی مشخصه های جریان عبوری  از سر ریز مثلثی و مستطیلی و مطالعه رابطه تئوریک حاکم بر جریان و ضریب تخلیه cd

در علم هیدرولیک وقتی مایع با سرعت زیاد به منطقه‌ای وارد می‌شود که سرعت پایینی دارد سطح آب در آن منطقه به طور ناگهانی بالا می‌رود و یک موج ایستا تشکیل می‌شود که به این حالت جهش هیدرولیک گویند. این حالت در جریان کانال روباز به فراوانی دیده می‌شود.

هیدرولیک کانال روباز یکی از زیر شاخه‌های هیدرولیک سطح آزاد است که جریان مایع در کانال های روباز را مطالعه می‌کند

سرریز را می توان سدی دانست که سیال باید از روی آن جریان یابد. با اندازه گیری برخی از کمیات در نزدیکی سرریز می توان به کمک معادله برنولی و اطلاعات تجربی، دبی جریان را تعیین کرد. سرریز عموما از یک صفحه نسبتا نازک تشکیل می شود که لبه آن در بالادست جریان نیز می باشد. ارتفاع آب بالادست سرریز از لبه آن ، h ، هد نامیده می شود و اندازه گیری آن در تعیین دبی نقش کلیدی دارد. شکل لایه سیالی که روی سرریز جریان دارد، ناپ (ریزش) ، Nappe ، نامیده می شود. فشار در ناپ را درست مانند جت آزاد ، نزدیک به فشار اتمسفر فرض کرد. سطح فوقانی سرریز که مایع از روی آن جریان می یابد، لبه یا آستانه سرریز نامیده می شود. اگر عرض لبه از عرض کانال کمتر باشد، آنگاه یک سرریز با انقباض جانبی خواهیم داشت. لبه سرریز می تواند اشکالی غیر از خط راست و مستطیل نیز داشته باشد. برای اندازه گیری دبی های کم می توان از سرریز مثلثی استفاده کرد. سرریزهای خاصی نیز با مقاطع سهموی و هذلولوی وجود دارد. ای سرریزها طوری طراحی می شوند که یا ضریب تخلیه ثابت داشته باشند و یا دبی جریان با ارتفاع h تناسب مستقیم داشته  باشد. توجه  می کنیم که  ناپ ریزش  در حین عبور  از سرریز دچار انقباض می شود. این پدیده اساسا ناشی از نیاز مایع به داشتن سرعت شعاعی برای عبور از لبه و دیوارهای سرریز است.

 

 

کانالهای رو باز

هدف آزمایش: آشنایی با قوانین حاکم بر جریان در کانالهای روباز انواع جریانها و دسته بندی آنها

در بسیاری از مسائل مهندسی مثل انتقال آب و امورمربوط به فاضلاب با حرکت مایعات در مجاری

باز سرو کار داریم ، به طور کلی در تمام مواردی که سطح آزاد مایع تحت فشار محلولی (عموما فشار محیط)

قرار داشته باشد مجرا را می توان به عنوان مجرای باز در نظر گرفت. تفاوت اصلی در حرکت مایعات در لولهها

و مجرای باز در آن است که لولهها تحت فشار مؤثر بر مایع در قسمت های مختلف متفاوت است و میتوان با

استفاده از اختلاف ارتفاع طبیعی و یا پمپ آن را به میزان دلخواه کنترل کرد در صورتی که فشار وارده بر سطح

مایع در مجرای باز و در تمام قسمتهای مسیر ثابت میباشد. در واقع عامل اصلی حرکت در مجراهای باز

شیب کف بستر و به عبارت بهتر نیروی ثقل است.

ابتدا علائم اختصاری مورد استفاده را بررس میکنیم:

سطح مقطع عمود بر جریان :A

محیط مرطوب :P

شعاع هیدرولیکی : Rh

(عرض سطح آزاد )طول خطی :T

عمق هیدرولیکی :D

(عمق جریان (عمور بر سطح افق:Y

عمق جریان (عمود بر سطح مقطع) :d

سرعت متوسط :V

 

جریانهای با سطح آزاد به صورت زیر دسته بندی میشوند:

1        اثرات ویسکوزیته: برای تشخیص جریان از نظرحالت یا وضعیت جریان یعنی لایهای یا آشفته بودن از تعریف عدد رینولدز استفاده میشود:

 

 

 

 

چندين روش براي اندازه گيري دبي در کانالهاي روباز ، به روش غير مستقيم وجود دارد که عبارتند از :

ايجاد موانع در مسير کانال ( سرريز ها ). در اين روش پروفيل طولي جريان به هم مي ريزد و به همين خاطر عدد فرود    که نسبت نيروهاي اينرسي به نيروهاي وزني مي باشد ، تغيير خواهد کرد. اين عدد بي بعد براي کانالها ، مشابه عدد بي بعد رينولدز براي جريان در لوله ها مي باشد. اگر عدد فرود برابر با يک باشد ، جريان را بحراني نامند. و اگر اين عدد کمتر از يک باشد جريان را مادون بحراني و يا آرام مي نامند که در اين حالت آشفتگي ها مي توانند در بالا دست حرکت کنند و شرايط پايين دست مي تواند بر بالا دست جريان تاثير بگذارد و در صورتي که اين عدد بزرگتر از يک باشد جريان را فوق بحراني و يا سريع مي نامند که در اين صورت هيچ آشفتگي نمي تواند در بالا دست حرکت کند و همچنين شرايط پايين دست را نمي توان در بالادست دريافت کرد. سرريز ها  يکي از اين موانع مي باشند که در مسير جريان در کانالهاي روباز گذاشته مي شوند. سرريز را مي توان سدي دانست که سيال بايد از روي آن جريان يابد. با اندازه گيري برخي از کميات در نزديکي سر ريز مي توان به کمک معادله برنولي، دبي جريان را تعيين کرد. سرريز عموما از يک صفحه به شکل هاي متفاوت تشکيل مي شود که لبه آن در بالا دست جريان تيز مي باشد تا جريان بدان نچسبد.

سرريز ها به دو دسته تقسيم مي شوند : سرريز هاي لبه نازک و سرريز هاي لبه کلفت

٢- سر ريز هاي لبه نازک  که خود در دو نوع زير مي باشند :

١- بدون انقباض جانبي  که به شکل زير مي باشند :

با انقباض جانبي  که در سه شکل زير موجود مي باشند :

 

 

 

سرريز مستطيلي

سرريز مثلثي

سرريز ذوزنقه اي

 

سرريز هاي لبه کلفت  که داراي شکل هاي زير مي باشند :

همان گونه که در شکل ديده مي شود سرريز هاي لبه کلفت به شکل هاي مستطيلي ، کروي ، نيمدايره اي ، ذوزنقه اي و . . .      مي باشند.

فوران ها  : که خود در دو گروه دسته بندي مي شوند:

فوران هاي دو بعدي  که فوران هاي چسبيده به جت  نيز ناميده مي شوند.

اين حالت مانند اين است که سرريز لبه نازک بدون انقباض جانبي را که در بالا بدان اشاره شد ، در راستاي عمود بر حرکت جريان بالا ببريم. در اينجا دو حالت ممکن است اتفاق بيفتد:

حالت اول اينکه جريان در انتهاي دريچه آزاد باشد مانند شکل زير:    

که به اين حالت فوران آزاد  يا غير مستغرق گويند. خطوط جريان در پايين مستقيم و موازي هستند و بنا بر اين توزيع فشار در اين ناحيه به صورت هيدروستاتيکي خواهد بود.

و حالت دوم اينکه مانند شکل زير در انتهاي جريان يک ديواره قرار دهيم.

که به اين حالت مستغرق  گويند. خطوط جريان در اين حالت بر عکس حالت قبلي موازي نمي باشند.

فوران هاي مدور  که به دو دسته آزاد  و مستغرق  تقسيم مي شوند . هر دو نوع آزاد و مستغرق يا بوسيله روزنه و يا از طريق شيپوره مورد استفاده قرار مي گيرند.

از طريق اندازه گيري سرعت موضعي در مقطع و استفاده از لوله پيتو؛ اين روش براي تعيين دبي در کانالهاي روباز ، چندان مرسوم نيست.

در اين آزمايش دبي سنج هاي از نوع سرريز هاي لبه نازک را مورد مطالعه قرار خواهيم داد.

 

مطالعه تجربي

در اين قسمت روابطي براي کاليبره کردن انواع دبي سنج هاي از نوع سرريز هاي لبه نازک ، به دست خواهيم آورد. شکل زير را در نظر مي گيريم :

 

حال رابطه   را بر حسب  ، براي سه سر ريز مستطيلي ، مثلثي و ذوزنقه اي ، به دست مي آوريم :

تلفات بين دو نقطه 1 و 2 را صفر در نظر گرفته و معادله برنولي را بين اين دو نقطه مي نويسيم :

با توجه به شکل زير براي سرريز مستطيلي ( چه با انقباض جانبي و چه بدون انقباض جانبي ) داريم :

رابطه به دست آمده براي  ، مقدار تئوري يا ايده آل مي باشد ، براي در نظر گرفتن اثرات اصطکاک ، کشش سطحي و انقباض مقطع ، يک ضريب به رابطه بالا اضافه مي کنيم که اين ضريب (  ) براي کاليبره کردن دبي سنج به کار مي رود و هدف ما در اين آزمايش يافتن اين ضريب مي باشد. بنابراين:

براي سرريز مثلثي داريم :

و براي سرريز ذوزنقه اي و با توجه به شکل زير داريم :

همان طور که مي بينيم اين رابطه ترکيبي از دو رابطه به دست آمده براي مستطيل و مثلث مي باشد .

با توجه به روابط بالا ، با اندازه گيري  و محاسبه  ، مي توانيم ضريب  را براي کاليبره کردن دبي سنج به دست آوريم .

دستگاهي که در اين آزمايش از آن استفاده مي کنيم به طور شماتيک در زير نشان داده شده است :

ابتدا با باز و بسته کردن شير پمپ ، ارتفاع آب ، در مخزن هد ثابت را تثبيت مي کنيم. سپس از طريق سوراخ هائي که در زير مخزن هد ثابت قرار دارد دبي آبي را که جريان دارد اندازه مي گيريم. تعداد اين سوراخ ها ده عدد مي باشد. براي اين کار از يک حجم معيار که برابر با   است استفاده مي کنيم و زمان پر شدن اين حجم را براي يک سوراخ اندازه گرفته و دبي را از فرمول   محاسبه مي کنيم. در مرحله اول سرريز هاي با انقباض جانبي مستطيلي ، مثلثي و ذوزنقه اي را يکي يکي در مسير جريان آبي که از سوراخ ها مي آيد و در کانال پاييني ريخته مي شود ، قرار مي دهيم. دبي عبوري از کانال را با استفاده از کشو تغيير مي دهيم به طوري که هر بار تعدادي از سوراخ ها را در مسير جريان قرار مي دهيم. با استفاده از خط کشي که در روي کانال تعبيه شده است ، ارتفاع آب بالاي کانال از ته کانال ، يعني  را ، اندازه مي گيريم. با معلوم بودن دبي از فرمول  و با داشتن مقدار  ، و با استفاده از فرمول هائي که در بالا براي هر سرريز به دست آورديم ضريب دبي يعني   را به دست مي آوريم. در مرحله دوم سرريز مستطيلي بدون انقباض جانبي را در مسير جريان آبي که از سوراخها مي آيد و در کانال بالائي ريخته مي شود ، قرار مي دهيم و مطابق حالت قبلي  را محاسبه مي کنيم. متوسط مقادير  به دست آمده براي هر سرريز را محاسبه مي کنيم و اين مقادير متوسط را براي کاليبره کردن سرريز ها به کار مي بريم. چنان که در شکل بالا مي بينيم ، از توري براي گرفتن تلاطم جريان در حين ورود به مخزن هد ثابت استفاده مي کنيم. همچنين در زير سوراخ ها و در روي کشو موانعي از جنس شيشه قرار مي دهيم تا تلاطم جريان گرفته شود و جرياني آرام و با عدد فرود کمتر از يک در بالادست سرريز داشته باشيم .

 

 

 

 

نتيجه گيري

در اين آزمايش با تعيين دبي جريان در کانالهاي روباز با استفاده از سرريز هاي لبه نازک و کاليبره کردن آنها آشنا شديم. انواع سرريز هاي لبه نازک را شناختيم و همچنانکه از شکل هاي موجود در قسمت تئوري مسئله مشهود است ، بايد لبه اين سرريز ها تيز باشد تا جريان به هنگام عبور از سرريز ، به آن نچسبد. دانستيم که در کانالهاي روباز عدد بي بعد فرود ، در اثر وجود سرريز  تغيير مي کند. اين عدد براي کانالهاي روباز همانند عدد بي بعد رينولدز براي جريان در لوله ها ست و براي تشخيص رﮊيم جريان در کانالها به کار مي رود. آنجا که عدد فرود کمتر از يک باشد ، مانند بالا دست جريان در کانال روباز ، رﮊيم جريان ، آرام و مادون بحراني و آنجا که اين عدد بزرگتر از يک باشد ، مانند جريان عبوري از سرريز ، رﮊيم جريان ، سريع يا فوق بحراني مي باشد. همچنين دانستيم که مقدار دبي واقعي با دبي به دست آمده از طريق روابط حاکم بر مسئله ( دبي تئوري ) متفاوت است. اين تفاوت را با ضريبي به نام ضريب دبي ( ) نشان داديم که اين ضريب به علت در نظر گرفتن اثرات اصطکاک و کشش سطحي و نيز انقباض مقطع ، به روابط موجود اضافه شده است. اين ضريب براي کاليبره کردن دبي سنج به کار مي رود. سرريز هاي لبه نازک موجود در دو نوع با انقباض جانبي و بدون انقباض جانبي هستند و همان طوري که نتايج به دست آمده در بالا نشان مي دهند ضريب دبي در سرريز بدون انقباض جانبي ، بيشتر از ضريب دبي در سرريز با انقباض جانبي مي باشد و اين بدين معني است که سرريز لبه نازک بدون انقباض جانبي ، نتايج بهتري را در ارتباط با اندازه گيري دبي جريان در کانالهاي روباز ، در اختيار ما قرار مي دهد.

علت تفاوت مقدار دبي واقعي با دبي تئوري يعني وجود ضريب دبي ، علاوه بر مواردي که در بالا بدانها اشاره شد ، به علت وجود خطا در ابزارهاي آزمايش است. از منابع اين خطا مي توان به وجود هوا در داخل لوله ها ، سفت نبودن اتصالات و نشت دبي به خارج از مسير جريان در کانال ، ولتاژ متناوب  پمپ ، خطاي اندازه گيري زمان و ارتفاع آب و نيز گرفته نشدن کامل تلاطم آبي که در مخازن و کانال جريان دارد ، اشاره کرد.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

منابع و مآخذ

1- مقدمه اي بر مکانيک سيالات / رابرت دبليو . فاکس و الن تي . مک دونالد / ترجمه بهرام پوستي / ويرايش چهارم

2- مکانيک سيالات / ايروينگ اچ . شيمز / ترجمه مهندس عليرضا انتظاري / چاپ پنجم

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

نمودارها :

 

 

 

 

 

 

 

نوشته شده توسط شهرزاد محمدی در شنبه هفتم خرداد 1390 |