گزارش خرابی لینک
اطلاعات را وارد کنید .
گزارش انتشار نسخه جدید
اطلاعات را وارد کنید .
no-img
سفارش تایپ ،ترجمه، مقاله، تحقیق ، پایان نامه

آزمایش : بررسی جریان آرام و آشفته در لوله ها ( آزمایش رینولدز) - سفارش تایپ ،ترجمه، مقاله، تحقیق ، پایان نامه


سفارش تایپ ،ترجمه، مقاله، تحقیق ، پایان نامه
adsads

ادامه مطلب

آزمایش : بررسی جریان آرام و آشفته در لوله ها ( آزمایش رینولدز)
امتیاز 5.00 ( 2 رای )
آبان 19, 1394
17334 بازدید
گزارش نسخه جدید

آزمایش : بررسی جریان آرام و آشفته در لوله ها ( آزمایش رینولدز)


بنام خدا

 

آزمایش : بررسی جریان آرام و آشفته در لوله ها ( آزمایش رینولدز)

هدف :

محاسبه ی ضریب زبری و تعیین توزیع سرعت در لوله

تئوری آزمایش :

عدد رینولدز بحرانی:

یکی از کاربردهای مهم عدد رینولدز، تعیین آرام یا آشفته بودن جریان است. اگر عدد رینولدز از مقدار خاصی کم‌تر باشد جریان آرام و اگر بیش‌تر باشد آشفته است. این مقدار خاص، عدد رینولدز بحرانی نام دارد و با Recrit نشان داده می‌شود.عدد رینولدز بحرانی برای جریان های مختلف به صورت تجربی اندازه‌گیری می‌شود. برای مثال، عدد رینولدز بحرانی برای جریان داخل یک لوله ۲۳۰۰ است. در این حالت، طول مشخصه d قطر لوله است.

طول مشخصه آشفتگی:


یکی دیگر از کاربردهای عدد رینولدز، تعیین کوچک‌ترین طول مشخصه در یک جریان آشفته است. در جریان آشفته، طول مشخصه به معنی فاصله‌ای است که بین متغیرهای جریان مثل سرعت یا فشار همبستگی وجود دارد. اما چون این همبستگی‌ها هم‌بسامد نیستند، یک جریان آشفته طول‌های مشخصه‌ی متفاوتی خواهد داشت. طول‌های مشخصه‌ی بزرگ متناظر با بسامدهای پایین و طول‌های مشخصه‌ی کوچک متناظر با بسامدهای بالا هستند.

عدد رینولدز به عنوان پارامتر تشابهی:

در کاربردهای مهندسی از عدد رینولدز به عنوان یک پارامتر تشابهی هم استفاده می‌شود. برای مثال، وقتی یک مدل کوچک از یک هواپیما در تونل باد مورد آزمایش قرار می‌گیرد، برای این که نتایج تونل باد قابل تعمیم به شرایط واقعی باشد، عدد رینولدز مدل و هواپیمای واقعی باید برابر باشد.

حدود رینولدز:

Re < 2100 Or 2300 (جریان آرام)Laminar

Transition 2300 <Re <5000

Re >5000 (جریان آشفته)Turbulent

تئوری آزمایش رینولدز:

بطور کلی دو نوع جریان لزج مجزا از یکدیگر و بعنوان پدیده طبیعی مورد قبول است . ملاحظه می‌شود دودی که از یک سیگار روشن بلند می‌گردد بطور یکنواخت و آرام در مسافت کوتاهی از سیگار جریان می‌یابد و ناگهان به لایه‌های غیر منظم و غیر پایدار تبدیل می‌شود. همین رفتار را می‌توان در جریان آب که به آهستگی از شیری عبور می‌کند مشاهده کرد. نوع منظم جریان زمانی رخ می‌دهد که لایه‌های سیال مجاور بطور آرام بر روی یکدیگرمی‌لغزند و مخلوط شدن لایه‌های سیال فقط در یک مقیاس ملکولی اتفاق می‌افتد. برای این چنین جریانی بود که رابطه لزجت نیوتنی بدست آمد و لذا برای اینکه لزجت را اندازه گیری نمائیم می‌بایست جریان آرام باشد. دومین نوع جریان که در آن ذرات سیال بین لایه‌ها انتقال یافته و یک طبیعت متغییر به سیال می‌دهند جریان مغشوش نامیده می شود. اگر چه وجود جریان آرام و مغشوش خیلی زود تشخیص داده شد اما اولین بار توسط رینولدز در ۱۸۸۳ از نظر کیفی توصیف گردید. آب می‌تواند از درون لوله‌ای عبور کند. دبی آب توسط یک شیر کنترل می‌شود. یک ماده رنگی که دارای جرم مخصوص یکسان با آب است به داخل لوله بطور تصاعدی جریان می‌یابد. هنگامیکه دبی کم است لایه‌های رنگ بطور منظم و در یک خط مطابق شکل جریان دارند. در دبی‌های زیاد به علت حرکت غیر منظم سیال، رنگها در تمام سطح مقطع لوله پراکنده می‌گردند. اختلافی که در خطوط رنگ ایندو جریان دیده می‌شود در حالت اول مربوط به طبیعت منظم جریان ارام و در خالت دوم مربوط به خصوصیت متغییر جریان مغشوش است. تبدیل جریان آرام به مغشوش در لوله‌ها تابعی از سرعت سیال می‌باشند. عملاً رینولدز دریافت که سرعت سیال تنها یکی از متغییرهای مشخص کننده طبیعت جریان در لوله است و دیگر عوامل عبارتند از: قطر لوله، جرم مخوص و لزجت سیال. چهار متغییر فوق ترکیب شده و پارامتر بدون بعد رینولدز را بوجود می‌اورند.که به افتخار و به پاس خدماتی که رینولدز (Osborne Reynolds). به مکانیک سیالات نموده است به اسم او نام گذاری شده و به Re نمایش داده می‌شود.


شکل(۴-۱) دستگاه آزمایش رینولدز

آزمایش نشان داده است که برای جریان در لوله‌های با سطح مقطع دایره ای هنگامیکه عدد رینولدز از ۲۳۰۰ کوچکتر است جریان ارام می‌باشد و در رینولدز بالاتر از این مقدار هم جریان ممکن است آرام باشد .در حقیقت جریان آرام تا رینولدز ۴۰۰۰۰ نیز در بعضی آزمایشات که اغتشاشات کوچک، سبب انتقال بطرف جریان مغشوش خواهد شد، در حالیکه در کمتر از این مقدار اغتشاشات از بین می‌روند و جریان آرام حاکم بر جریان خواهد بود. بدین ترتیب عدد بحرانی رینولدز برای جریان در لوله‌ها ۲۳۰۰ می باشد.

نیروی درگ Drag :

آزمایش رینولدز بطور وضوح دو نوع جریان مختلف ارام و مغشوش را نشان می‌دهد. بررسی نیروی درگ روش دیگری برای نمایش این نوع جریان و بستگی آن به عدد رینولدز است.یک مثال خاص آن نمایش جریان خارجی (جریان اطراف یک جسم بطوریکه مخالف جریان بداخل یک مجرا است) می‌باشد .نیروی درگ اصطکاکی به واسطه تنتن برشی در سطح جسمی که درون سیال لزجی حرکت می‌کند بوجود می آید.درگ فشاری (pressure drag) از دو منبع درگ القایی (Induced drag) یا درگ بالا بر (Lift drag) و دیگری (Woke drag) می‌باشد که دومی از این موضوع ناشی می‌شود که تنش برشی موجب منحرف شدن خطوط جریان از مسیرهای جریان غیر لزج شده و در بعضی حالات بکلی از جسم جدا می‌شوند. این انحراف در لایه‌های خطوط جریان از فشاری که می‌توانست بر مابفی جسم اعمال شود جلوگیری می‌کند. چون فشار در جلوی جسم بزرگتر از پشت است یک نیروی خالص بطرف عقب بوجود می‌آید.


شکل(۴-۲)جریانهای سه گانه رینولدز

در جریان غیر قابل تراکم ضریب درگ بستگی به عدد رینولدز و هندسه جسم دارد. یک شکل ساده هندسی که بستگی نیروی درگ را به عدد رینولدز نشان می‌دهد استوانه مدور است. البته جریان غیر لزج در اطراف یک سیلندر هیچگونه نیروی درگ تولید نمی‌کند زیرا نه اصطکاک وجود دارد و نه درگ فشاری. تغییرات در ضریب درگ نسبت به عدد رینولدز برای یک سیلندر صاف است.

مسیرهای جریان سیال برای چند عدد رینولدز مختلف در
شکل(۴-۲)دیده می‌شود. خطوط جریان و شکل کلی این نتیجه را می‌دهند که تغییرات درگ و در نتیجه اثرات تنش برشی روی سیال می‌تواند به چهار نوع تقسیم شود. خصوصیات هر یک از این جریانها در زیر بررسی می‌گردد.

نوع اول:

در این نوع تمام جریان آرام و عدد رینولدز کوچکتر از یک است. با در نظر گرفتن اهمیت فیزیکی عدد رینولدز بصورت نسبت نیروهای اینرسی به نیروهای لزجت می‌توان گفت که در نوع اول نیروهای لزجت بر اینرسی غلبه دارند. شکل جریان در اینجالت تقریباً متقارن و جریان بجسم می‌چسبد و (Wake) از نوسانات آزاد است. در این رژیم که جریان با خزش (Creeping flow) نامیده می‌شود اثرات لزجت نافذ بوده و در تمام میدان جریان امتداد می‌یابند.

نوع دوم:

همچنانکه عدد رینولدز افزایش می‌یابد گرده‌های کوچکی در نقطه سکون استوانه ایجاد می‌شود. در مقادیر رینولدز بالاتر این گرده‌ها به سمت نقطه‌ای می‌روند که از جسم جدا می‌شوند و بطرف پایین دست جریان به داخل یک wake منحرف می‌گردند. نمونه گرده‌ها در نوع دوم مسیر گرداب فون کارمن (Von karmon Vortex
Trial) نامیده می‌شود. این تغییر در خصوصیت (wake) از حالت پایدار به ناپایدار همراه با تغییری در شیب منحنی درگ می‌باشد.

کیفیت‌های برتر این نوع جریان عبارتند از:

الف) طبیعت ناپایدار بودن wake

ب) جدایی جریان از جسم

نوع سوم:

در جریان نوع سوم نقطه جدایی جریان در یک نقطه در حدود ۸۰ دور از نقطه سکون جلو ثابت می‌ماند. دیگر (wake) بوسیله گرده‌های بزرگ مشخص نمی‌شوداگر چه باز هم ناپایدار باقی می‌ماند. جریان در روی سطح جسم از نقطه سکون تا نقطه جدایی بصورت آرام است و تنش برشی در این فاصله فقط در لایه نازک نزدیک جسم محسوس می‌باشد. ضریب درگ در حدود عددی نزدیک به ۱ ثابت می‌ماند.

نوع چهارم:

در عدد رینولدزی نزدیک ۱۰۵×۵ ضریب درگ ناگهان تا مقدار ۳/۰ کاهش می‌یابد. وقتی جریان در اطراف جسم مورد بررسی قرار می‌گیرد نقطه جدایی از ۹۰ گذشته است. بعلاوه توزیع فشار در اطراف استوانه تا نقطه جدایی نسبتاً نزدیک به توزیع فشاری است که برای جریان غیر لزج شد این نکته مورد توجه قرار می‌گیرد که تغییرات فشار در روی سطح جسم تابع متغییری از عدد رینولدز می‌باشد.

پائین‌ترین نقطه روی منحنی‌ها برای اعداد رینولدز ۱۰۵ و ۱۰۵×۶ که هر دو در نقطه جدایی جریان هستند. جدایی برای ۱۰۶×۶= Re در زاویه بزرگتری از ۱۰۵= Re اتفاق می‌افتد. در این نوع لایه‌های جریان نزدیک سطح استوانه هنگامیکه جریان در نزدیک یک نقطه سکون جلو از حالت آرام به حالت ترانزیشن تبدیل می‌شود، مغشوش می‌باشند. تغییر نقطه جدایی نشان دهنده افت درگ است. بطور کلی یک جریان مغشوش بهتر از یک جریان آرام در مقابل جریان جدایی مقاومت می‌کند. می‌توان گفت که در جریان نوع چهارم بعلت بزرگ بودن عدد رینولدز نیروهای اینرسی بر نیروهای لزجت غلبه دارند. چهار نوع جریان در اطراف یک دایره که ذکر شد نشان می‌دهد که ناحیه تأثیر نیروهای لزجت با افزایش عدد رینولدز کاهش می‌یابد. در جریان نوع سوم و چهارم شکل جریان در روی قسمت جلوی استونه با فرضیه جریان غیر لزج تطبیق می‌کند. برای اشکال هندسی دیگر تغییرات مشابهی در حوزه تاثیر نیروهای لزجت دیده می‌شود و همانطور که انتظار می‌رود وفق دادن به حدسیات جریان غیر لزج در یک عدد رینولدز داده شده با افزایش باریکی جسم افزایش می‌یابد. از نظر مهندسی مهمترین حالت عبارت از جریانهای خارجی مشابه نواحی جریان نوع سوم و چهارم می‌باشد. مخصوصاً می‌توان همین کاهش سریع CD را تا کمترین مقدار عدد رینولدز ۱۰۵×۵ مشاهده کرد. این موضوع بخاطر تغییر جریان از حالت آرا به مغشوش در لایه مرزی می‌باشد.

شرح دستگاه:

دستگاه تشکیل شده است از مجرایی که سیال در آن به طور پیوسته توسط یک پمپ دنده ای به چرخش در می آید. هیجده شیر فشار در طول لوله نصب شده است تا بتوان گرادیان فشار را به کمک آن ها تعیین نمود. توزیع سرعت در قسمت پایین دست لوله توسط یک لوله پیتوت که توسط میکرومتر حرکت می کند ، تعیین می شود.قطر داخلی لوله ۱۰ میلیمترو طول آن ۴۴۰۰ میلیمتر می باشد. ویسکوزیته ی آب در دمای ۲۵ درجه ۸۹۵/۰ سانتی استوکس(NS/m2 0894/0 یا پاسکال ثانیه) می باشد.فاصله ی بین دو گیج ۳و۱۶ برابر ۳۳۹۰ میلیمتر می باشد.

روش آزمایش:

ابتدا بوسیله پمپ آب را با دبی های مشخص وارد محفظه می نماییم. جریان ورودی و خروجی به دستگاه را به وسیله شیرهای توپی که در قسمتهای ورودی و خروجی دستگاه تعبیه شده اند طوری تنظیم مینماییم که با حداقل دبی سطح آب داخل محفظه در یک خط مشخص ثابت بماند و هیچگونه تغییری در سطح نداشته باشد. سپس جوهررنگی را که در محفظه ای در بالای دستگاه تعبیه شده است را داخل آن وارد می کنیم .ملاحظه میشود که در دبی کمتر مایع حالت صاف دارد و مغشوش نسیت که در این حالت جریان آرام یاlaminar قابل مشاهده است. سرعت جریان یا دبی را در این حالت اندازه گیری می نماییم.

سپس دبی را به کمک شیرهای توپی مذکور افزایش می دهیم و طوری تنظیم مینماییم که با بیشترین میزان دبی سطح آب داخل محفظه در یک خط مشخص ثابت بماند و هیچگونه تغییری در سطح نداشته باشد. سپس جوهررنگی را داخل آن وارد می کنیم در این حالت مشاهده میگردد که خط جریان حالت متلاطم داردو در نتیجه جریان نیز متلاطم و مشوش می باشد.در این آزمایش دما ۲۵درجه سانتی گرادمی باشد.

 


شکل(۴-۴) دستگاه آزمایش رینولدز

خواسته ها:

T=25˚C


 

D=10mm=0.01m


 

A = 7.85×۱۰

 

جریان آرام ((Laminar:

V= 400 cc = 0. 4 lit , t= 74 s

 


 

 


 

 

جریان آشفته(Turbulent):

V= 2.5 lit , t= 38s

 


 

 


 

منابع خطا:

خطا در اتصالات دستگاه ،خطای شخصی

نتیجه گیری:

جوهر در جریان آرام یک خط صاف بین لایه ها به وجود می آورد با بالا رفتن آشفتگی در جریان رنگ نیز پخش می شود تاجاییکه کاملا در جریان محو می گردد.

همانگونه که مشهود است اعداد رینولدز بدست آمده با جریانهای مربوطه مطابقت داشته و تئوری رینولدز را تایید می نماید.



دیدگاه ها


2 پاسخ به “آزمایش : بررسی جریان آرام و آشفته در لوله ها ( آزمایش رینولدز)”

  1. mahdi گفت:

    salam….mamnon

دیدگاهتان را بنویسید

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد. بخش‌های موردنیاز علامت‌گذاری شده‌اند *