جزوه حاضر جهت استفاده دانشجویان رشته های مهندسی عمران و مکانیک تهیه شده است در این جزوه 8 آزمایش مهم که در اکثر دانشگاهها تدریس می شود بیان گردیده است و هر آزمایش در یک فصل جداگانه آمده است در این مجموعه ضمن آشنا ساختن دانشجویان با دستگاه مورد آزمایش و روش انجام آزمایش ، بصورت خلاصه در مورد تئوری مربوط به آزمایشات توضیحاتی ارائه شده است هم چنین ضمن بیان اهداف آزمایش ، موارد ارائه نتایج که به صورت جداول یا نمودارها است و می بایست توسط دانشجویان تکمیل شود ذکر گردیده است.
بطور کلی جهت فراگیری و درک عمیق از موضوعات پیچیده علمی ، نمی توان فقط از طریق مطالعه و با شنیدن مطالب به این هدف رسید بلکه می بایست با انجام آزمایشات و از روش های تجربی ، پدیده های مختلف را مشاهده و مورد تجزیه و تحلیل قرار داد دانشجویان با انجام آزمایشات ، ضمن آشنا شدن با وسایل مختلف و روشهای مختلف اندازه گیری با تجزیه و تحلیل داده ها و یافته های آزمایشگاهی ، به شناخت و درک عمیق مطالب خواهند رسید.
توصیه می شود دانشجویان قبل از انجام هر آزمایش ، ضمن مطالعه مطالب مربوط به آن آزمایش و اندیشیدن به مطالب تئوری آن ، در حین آزمایش با قسمتها و جزئیات مختلف دستگاه و همچنین روش انجام آزمایشات آشنا گردند.
پس از انجام آزمایشات ضمن درج داده ها و یافته های آزمایشگاهی در جداول ، با انجام محاسبات لازم و با ارائه نمودارها و رسم منحنی ها به شرح و بسط مشاهدات پرداخته و با روشهای مختلف محاسباتی به تجزیه و تحلیل نتایج و بدست آوردن روابط اقدام نمود پس از این مرحله با تنظیم گزارش آزمایشگاهی و با رعایت روشهای صحیح و استاندارد نتایج کار را ارائه نمود .
پس از انجام آزمایشات ضمن درج داده ها و یافته های آزمایشگاهی در جداول ، با انجام محاسبات لازم و با ارائه نمودارها و رسم منحنی ها به شرح و بسط مشاهدات پرداخته و با روشهای مختلف محاسباتی به تجزیه و تحلیل نتایج و بدست آوردن روابط اقدام نمود پس از این مرحله با تنظیم گزارش آزمایشگاهی و با رعایت روشهای صحیح و استاندارد نتایج کار را ارائه نمود .
فصل اول : آشنایی با میز هیدرولیکی اجزاء تشکیل دهنده میز هیدرولیکی هدف از طرح میز هیدرولیکی ، فراهم نمودن وسیله ای برای انجام یک سری آزمایشات ساده در مکانیک سیالات و هیدرولیک می باشد شکل (1) تصویری از یک میز هیدرولیکی را نشان می دهد.
شکل 1: تصویر یک میزهیدرولیکی شکل2: دیاگرام قسمتهای داخلی یک میزهیدرولیکی در شکل (2) دیاگرام قسمت داخلی یک میز هیدرولیکی نمایش داده شده است طبق این شکل یک پمپ کوچک سانتریفوژ ، آب را از منبع S که در قسمت پایینی میز هیدرولیکی قرار گرفته است پمپ نموده و از طریق شیر V به دستگاههای مورد آزمایش منتقل می کند.
در این میز هیدرولیکی یک تانک وزنی W قرار دارد که این تانک به منظور اندازه گیری وزن آبی که از دستگاه مورد آزمایش عبور نموده است و از طریق لوله کوتاه D که از قسمت F به تانک وزنی منتهی می شود بکار می رود تانک وزنی W به یک طرف اهرمی متصل است که در طرف دیگر آن آویزی قرار دارد و می توان وزنه هایی را که وزن هر کدام دو کیلوگرم می باشد بر روی آویز قرار دارد نسبت فاصله تانک وزنی تا محل تکیه گاه این اهرم به فاصله تکیه گاه تا محل اتصال آویز برابر نسبت یک به سه است در کف تانک وزنی W یک شیر خروجی B قرار دارد و بسته به موقعیت اهرم باز یا بسته می باشد.
بر روی محفظه این میز هیدرولیکی ، صفحه ای به عنوان درپوش قرار می گیرد که هر زمان لازم باشد می توان با برداشتن این درپوش ، پمپ و دیگر وسایل موجود در داخل میز هیدرولیکی را مورد بررسی و بازدید قرار داد با توجه به بلند بودن لبه های اطراف این صفحه در صورتی که دستگاه دارای نشت باشد آب جمع آوری شده بر روی آن از طریق سوراخی وارد منبع S می شود دستگاه های مورد آزمایش بر روی صفحه میز هیدرولیکی قرار می گیرد لوله ای لاستیکی از پمپ به دستگاه متصل می گردد که معمولاً یک شیر هم به منظور تنظیم مقدار دبی دستگاه بین پمپ و دستگاه قرار دارد در قسمت خروجی دستگاه هم یک لوله پلاستیکی قرار دارد که آب را از دستگاه پس از عبور از یک شیر کنترل ، جهت اندازه گیری دبی به تانک وزنی منتقل می کند بعد از اینکه مقدار دبی مناسب برای دستگاه تنظیم گردید میزان آن به روش زیر اندازه گیری می شود.
اندازه گیری دبی توسط میز هیدرولیکی زمانی که انتهای بیرونی اهرم میز هیدرولیکی توسط تیغه نگهدارنده بالا نگه داشته شده است شیرخروجی تانک وزنی باز می باشد و آبی در آن انباشته نمی شود با رها ساختن اهرم بوسیله کنار زدن تیغه نگهدارنده وزن آویز باعث می شود تا انتهای بیرونی اهرم به طرف پایین حرکت کند و در این لحظه شیر خروجی تانک وزنی بسته می شود و آب در تانک وزنی جمع آوری می شود.
پس از چند لحظه اهرم به حالت تعادل می رسد (وضعیت تعادل اهرم وقتی است که میله اهرم با زیر تیغه نگهدارنده تماس می یابد که در این لحظه اهرم به حالت افقی قرار می گیرد ) از این لحظه می توان مقدار آبی که در تانک پس از این لحظه وارد می شود را اندازه گیری نمود بنابراین بلافاصله پس از تعادل اهرم ، کرنومتر را راه اندازی می کنیم وبسته به میزان دبی ، چند وزنه دو کیلوگرمی را بر روی آویز اهرم قرار می دهیم و به محض اینکه اهرم دوباره به حالت تعادل رسید کرنومتر را متوقف کرده و زمان نشان داده شده را یادداشت می کنیم برای حصول دقت مطلوب حتی المقدور ، تعداد وزنه ها را چنان انتخاب کنید که زمان جمع شدن آب کمتر از 60 ثانیه نباشد بعد از اینکه مدت زمان جمع شدن مقدار معینی آب مشخص شد می توان مقدار دبی را محاسبه نمود با توجه به اینکه نسبت طولی میله اهرم از محل اتصال تانک وزنی تا محل تکیه گاه به فاصله آویز اهرم با تکیه گاه مساوی یک به سه است بنابراین هر کدام از وزنه های دو کیلوگرمی معادل شش کیلوگرم آب جمع آوری شده داخل تانک می باشد.
اکنون با تقسیم جرم آب جمع آوری شده بر زمان جمع آوری آن ، میزان دبی جرمی و از روی آن مقدار دبی حجمی (دبی ) را محاسبه می کنیم : دبی جرمی تعداد وزنه های دو کیلوگرمی روی آویز = n دبی حجمی = جرم مخصوص سیال/ دبی جرمی t = زمانی را که کرنومتر نشان می دهد.
موارد زیر جهت عملکرد صحیح و دقیق میز هیدرولیکی بایستی مورد توجه قرار گیرد: 1- قبل از روشن نمودن پمپ باید مطمئن شد که منبع S تا ارتفاع تقریبی mm 320 از آب پر بوده و شیر فلکه پمپ هم بسته باشد.
2- در صورت وجود هر گونه نشت و با چکانده شدن قطره آب بر روی موتور الکتریکی و یا استارتر ، دستگاه را از برق قطع کرده و تا اطمینان کامل از رفع عیب ، دستگاه را به برق متصل ننمائید نشت آب بر روی صفحه میز هیدرولیکی در صورتیکه مقدار آن کم باشد با توجه به اینکه آب به منبع بر می گردد خیلی حائر اهمیت نیست .
3- در صورتیکه دستگاه تحت فشار کامل باشد و در صورت نیاز ، محل اتصال لوله های پلاستیکی به لوله های فلزی دستگاه را با بست ، محکم ببندید.
4- در تمامی مواقع به جز زمانهایی که مقدار آب اندازه گیری می شود با بالا نگهداشتن انتهای هرم توسط تیغه نگهدارنده ، شیر تانک وزنی را باز نگه دارید البته اگر تانک وزنی پر و سرریز شود با توجه به اینکه آب به منبع S بر می گردد زیاد اشکالی ندارد.
5- در پایان عملیات اندازه گیری دبی برای جلوگیری از وارد آمدن ضربه به دستگاه انتهای بیرونی اهرم را با دست نگاه داشته و به پائین فشار دهید سپس تیغه نگهدارنده را آزاد نموده و انتهای اهرم را به آرامی به بالا هدایت کنید و سپس وزنه ها را از روی آویز بردارید .
6- پس از اتمام آزمایش شیرهای فلکه را بسته و پس از آن پمپ را خاموش می کنیم.
فصل دوم : جریان عبوری از ونتوری متر مقدمه (ونتوری متر وسیله ایست که برای اندازه گیری شدت جریان در لوله ها مورد استفاده قرار می گیرد) جریان سیال از طریق یک لوله همگرا به مقطعی از لوله که سطح مقطع آن کمتر از سطح مقطع لوله اصلی است هدایت می شود که این کاهش سطح مقطع در گلوگاه باعث افزایش سرعت در آن مقطع خواهد شد بنابر معادله برنولی ، افزایش سرعت در مقطعی از لوله با دبی ثابت باعث کاهش فشار در آن مقطع می شود و چون میزان سرعت و فشا رهر دو به مقدار جریان بستگی دارد بنابراین می توان با اندازه گیری تغییرات فشار در دو مقطع مختلف از لوله ونتوری ، میزان شدت جریان را محاسبه نمود.
هدف از انجام این آزمایش مقایسه جریان عبوری محاسبه شده با کمک دستگاه ونتوری متر با میزان جریان واقعی بدست آمده با استفاده از تانک وزنی میزهیدرولیکی و تعیین ضریب تخلیه (C) جهت این مقایسه می باشد همچنین با کمک دستگاه ونتوری متر که در شکل (1) نشان داده شده می توان توزیع فشار در طول لوله ونتوری را بدست آورده و با توزیع فشار حقیقی (ایده آل ) مقایسه نمود.
شکل1: دستگاه ونتوری متر شرح دستگاه همانطور که در شکل (1) نشان داده است دستگاه ونتوری متر تشکیل شده است از یک لوله همگرا- واگرا که آب از قسمت چپ وارد دستگاه شده و پس از گذشتن از قسمت همگرا و عبور از گلوگاه ونتوری وارد قسمت واگرا شده و سپس با عبور از شیر کنترل به تانک وزنی میز هیدرولیکی جهت اندازه گیری دبی واقعی هدایت می شود در طول لوله ونتوری 11 لوله پیزومتر جهت اندازه گیری فشار در مقاطع مختلف نصب شده است دو پیزومتری که یکی در ابتدای لوله ونتوری و دیگری در گلوگاه ونتوری نصب شده است جهت محاسبه میزان دبی عبوری مورد استفاده قرار می گیرد و پیزومترهای دیگر برای مقاصد آزمایشی و مطالعه تغییرات فشار در طول لوله ونتوری نصب شده است تمامی پیزومترها توسط لوله های مانومتری شفاف به یک محفظه هوای متراکم متصل شده و مجموعه ، روی یک تابلو مدرج شده نصب شده است در ضمن قطر لوله در مقاطع مختلف ونتوری در محل اتصال پیزومترها در جدول (1) مشخص گردیده است .
تئوری آزمایش لوله ونتوری مطابق شکل (2) را در نظر می گیریم که جریان دائم یک سیال تراکم ناپذیر در آن برقرار است .
شکل 2: ونتوی متر پیزومترهای (1) و (2) به ترتیب در ابتدا و در گلوگاه ونتوری نصب شده اند و پیزومترهای (n) در مقاطعی دلخواه ونتوری قرار گرفته اند تمامی لوله های پیزومتر به یک محفظه هوا متصل هستند که دارای فشار P می باشد بنابراین با توجه به ارتفاع سیال در لوله متصل به پیزومتر مقطع دلخواه (n) فشار در این مقطع برابر با خواهد بود به موجب معادله برنولی در سیستمی مانند لوله ونتوری مذکور که از افت انرژی در طول لوله صرفنظر شده است در هر مقطع دلخواه (n) از این لوله مقدار عبارت برابر با مقداری ثابت است و در نتیجه برای مقاطع (1) ،(2) و (n) می توان نوشت : (1) در رابطه بالا می باشد.
همچنین با توجه به معادله پیوستگی خواهیم داشت : (2) که در معادلات فوق V معرف سرعت جریان و a معرف سطح مقطع می باشد.
با استفاده از معادلات (1) و (2) سرعت در گلوگاه ونتوری از رابطه زیر محاسبه می گردد : و در نتیجه مقدار شدت جریان را می توان از رابطه زیر محاسبه نمود.
(3) علت اینکه از دو مقطع (1) و (2) جهت محاسبه شدت جریان استفاده شده است این موضوع می باشد که جریان در لوله ونتوری بین این دو مقطع در جهت جریان همگراست و آزمایشات نشان می دهد که افت انرژی در طول لوله های همگرا ، ناچیز و قابل صرفنظر می باشد اما همین میزان ناچیز افت ، مقدار اندکی تفاوت در دبی محاسبه شده در مقایسه با دبی واقعی می گذارد که با ضریب C که از آزمایش بدست می آید می توان آنرا تصحیح نمود این ضریب را ضریب تخلیه ونتوری گویند که با بکار بردن این ضریب ، دبی واقعی چنین بدست می آید: (4) مقدار ضریب C برای شدت جریانهای مختلف متفاوت است و معمولاً بین 92/0 تا 99/0 متغیر می باشد.
با صرف نظر از افت انرژی در طول لوله ونتوری و در نتیجه استفاده از رابطه (1) حاصل از معادله برنولی ، اختلاف هد فشار بین دو مقطع (n) و (1) چنین بدست خواهد آمد : جهت انجام محاسبات و همچنین مقایسه نتایج حاصل از آزمایش با تئوری می توان مقدار را در رابطه فوق بصورت بخشی از هد سرعت در گلوگاه نوشت: با استفاده از معادله پیوستگی (رابطه 2) و جایگزین نمودن سطح مقطع ها به جای نسبت سرعت ها در رابطه فوق به رابطه زیر خواهیم رسید : (5) روش آزمایش ابتدا دستگاه را برای انجام آزمایش چنین تنظیم می کنیم : با روشن کردن پمپ ، شیرهای کنترل و پمپ را کاملاً باز کرده و اجازه می دهیم که مدت کوتاهی ، آب در ونتوری متر جریان داشته باشد تا حبابهای هوا از دستگاه خارج شود اکنون شیر کنترل را به تدریج می بندیم این کار باعث افزایش فشار و بالا رفتن سطح آب در لوله های مانومتریک متصل به پیزومتر ها خواهد شد و هوای داخل محفظه فوقانی مانومترها متراکم شده و سطح آب در لوله های مانومتر در یک تراز افقی قرار می گیرند در این لحظه شیر پمپ را به تدریج بسته و سپس بوسیله پیچهای پایه ، دستگاه را در حالت افقی تراز می کنیم بدینگونه که تمامی قسمتهای تابلوی مدرج یک ارتفاع را برای سطح آب داخل مانومترها نشان دهند.
پس از حصول اطمینان از تراز بودن دستگاه انجام آزمایشات آغاز می گردد بهتراست آزمایشات را با دبی ماکزیمم شروع نمود ماکزیمم دبی زمانی حاصل می شود که مقدار بیشترین مقدار باشد برای این منظور می توان با باز نمودن تدریجی شیرهای پمپ و کنترل ، ارتفاع را در ماکزیمم و ارتفاع را در پایین ترین قسمت خط کش مدرج تنظیم نمود باز نمودن هم زمان شیرها باعث افزایش دبی و همچنین افزایش اختلاف و می شود باز نمودن شیر پمپ باعث بالا آمدن ارتفاع آب در لوله های پیزومتر و باز نمودن شیر کنترل باعث پایین رفتن سطح آب در لوله های پیزومتر می شود در صورت پیش آمدن هر نوع مشکلی برای ایجاد دبی ماکزیمم می توان با وارد کردن هوا به کمک پمپ هوا یا خارج نمودن هوا از قسمت بالای دستگاه به این منظور رسید.
آزمایش را برای 8 الی 10 دبی مختلف انجام داده و علاوه بر وزن نمودن آب توسط تانک وزنی ، ارتفاع آب در لوله های پیزومتر در طول لوله ونتوری یادداشت می گردد.
منحنی های زیر را برای این آزمایش رسم نمائید : 1- تغییرات نسبت به Q 2- تغییرات C نسبت به Q 3- توزیع فشار تئوریک و آزمایش در طول لوله ونتوری برای دو دبی آزمایش .
فصل سوم : جریان عبوری از اوریفیس مقدمه هنگامیکه سیالی از یک وزنه یا سرریز لبه تیز جریان می یابد تغییرات قابل توجهی در راستای خطوط جریان سیال ایجاد می شود بطوریکه اگر بدون توجه به این تغییرات از روابط تئوری جهت محاسبه دبی عبوری از آن استفاده شود مشاهده می شود که میزان دبی تئوری از دبی واقعی بیشتر است و این افزایش به لحاظ فرض موازی بودن خطوط جریان هنگام عبور از روزنه یا سرریز و ایده آل فرض نمودن سیال است که با این فرض از افت انرژی صرف نظر شده است در صورتیکه با انجام آزمایشات عبور جریان از روزنه ها و سرریزها مشاهده می شود که عبور جریان از این مقاطع همراه با کاهش سطح مقطع در فاصله معینی از مقطع خروجی می باشد که در این فاصله خطوط جریان همگرا بوده و به تدریج به حالت موازی در می آیند هدف از این آزمایش محاسبه و مقایسه دبی واقعی و دبی تئوری با فرضیات فوق می باشد همچنین میزان انقباض جت آب خروجی و افت انرژی حاصل از عبور جریان از اوریفیس اندازه گیری می شود.
شرح دستگاه شکل شماره (1) قسمتهای مختلف دستگاه را نشان می دهد این دستگاه از یک تانک که در ته آن یک روزنه مدور لبه تیز قرار گرفته تشکیل شده است دو لوله شفاف پلاستیکی متصل به یک خط کش مدرج روی بدنه تانک نصب شده است صفر خط کش 5/6 میلی متر پائین تر از سطح دهانه قرار دارد.
شکل 1: دستگاه اوریفیس یکی از این لوله ها برای نشان دادن ارتفاع دقیق سطح آب در تانک به کف آن متصل شده است و لوله دیگر به یک پیتوت متصل است که انرژی کل جت آب خروجی را نشان می دهد لوله پیتوت را می توان با چرخاندن مهره میکرومتر در عرض جت آب حرکت داد یک تیغه نازک قابل نصب و حرکت در دهانه پیتوت وجود دارد که جهت اندازه گیری قطر جت آب بکار می رود به ازای هر دور کامل مهره میکرومتر ، لوله پیتوت به اندازه یک میلیمتر حرکت می کند.
تئوری آزمایش برای محاسبه سرعت و دبی جریان عبوری از دهانه اوریفیس از معادله برنولی استفاده می کنیم در اینجا فرض می شود که سطح مقطع تانک به اندازه کافی بزرگ بوده و در نتیجه هد سرعت در تانک قابل صرف نظر می باشد حداکثر انقباض سطح مقطع جت آب خروجی ، به فاصله حدوداً نصف قطر دهانه اوریفیس از آن صورت می گیرد مقدار فشار در کلیه نقاط سطح حداکثر انقباض به دلیل موازی بودن خطوط جریان در این مقطع برابر فشار اتمسفر می باشد بنابراین با نوشتن معادله برنولی بین دو نقطه N,M (شکل2) چنین خواهیم داشت: شکل 2: عبور جریان از اوریفیس (1) در رابطه فوق با توجه به مطالب مذکور مقادیر برابر صفر می باشند بنابراین : (2) یا سرعت هم چنین سرعت ایده آل در کلیه نقاط سطح مقطع حداکثر انقباض هم می باشد.
بدلیل وجود افت انرژی در مسیر جریان M تا N ، سرعت واقعی در نقطه N از سرعتی که از رابطه (2)بدست می آید کمتر است با استفاده از ارتفاع نشان داده شده در مانومتر متصل به پیتوت می توان مقدار سرعت واقعی را بدست آورد بدین ترتیب که هد انرژی کلی در نقطه N برابر و از طرفی برابر هد فشار هیدرواستاتیک حاصل از ارتفاع در مانومتر می باشد بنابراین : یا (3) نسبت سرعت واقعی (رابطه (3) ) به سرعت تئوری (رابطه (2) ) با ضریب نمایش داده می شود.
(4) نسبت سطح مقطع حداکثر انقباض به سطح مقطع روزنه با ضریب نمایش داده می شود.
(5) و نسبت دبی واقعی به دبی تئوری (جت با سرعت ایده آل و سطح مقطع ) را با ضریب بیان می کنند: (6) اگر بخواهیم مقدار ضریب را با دبی اندازه گرفته شده نشان دهیم داریم : (7) بطور کلی مقادیر بدست آمده از روابط (6) و (7) به دلیل خطای احتمالی در اندازه گیری قطر جت ( از نظر مقدار و محل سطح مقطع حداکثر انقباض ) جزئی با یکدیگر تفاوت خواهند داشت.
روش آزمایش مخزن را طوری قرار می دهیم که کاملاً تراز بوده و کف تانک بصورت افقی قرار داشته باشد سپس پمپ را روشن کرده و شیر کنترل را باز می نمائیم تا سطح آب در استوانه بالا رود برای اولین دبی شیر کنترل را چنان تنظیم می نمائیم که مقدار کمی هرز آب از بالای لوله عمودی سرریز خارج شود بعد از اینکه ارتفاع آب در تانک به حد ثابتی رسید لوله پیتوت را بطور دقیق در محور خروجی روزنه و در محل سطح مقطع حداکثر انقباض قرار داده و ارتفاع سطح آب در لوله های پیتوت و پیزومتر را قرائت می نمائیم همچنین قطر سطح مقطع فشرده شده و دبی جرمی خروجی را نیز با دقت اندازه گیری می نمائیم این عمل را بوسیله شیر کنترل برای 8 دبی مختلف ( و در نتیجه 8 ارتفاع مختلف آب در تانک ) تکرار نموده و نتایج را در جدول ثبت می نمائیم در تمامی موارد تغییرات دبی ، اندازه گیری ها می بایستی زمانی صورت گیرد که سطح آب در مخزن به مقدار ثابتی رسیده باشد.
محاسبات و رسم منحنی های زیر برای این آزمایش لازم می باشد: 1- مقادیر را محاسبه و جدول را تکمیل نمائیدو 2- منحنی تغییرات را نسبت به Q رسم نمائید.
فصل چهارم : برخورد جت مقدمه یکی از روشهای تولید کار مکانیکی از سیال تحت فشار این است که فشار موجود در آن را با ایجاد جت به جریانی با سرعت زیاد تبدیل نمائیم.
با قرار دادن چرخهای توربین در مقابل جت آب ، بر اثر نیروی وارد شده از برخورد جت آب به توربین ، پره های توربین به دوران در می آید توربین های آبی از این نوع ساخته شده اند که می توانند kw 5 10 انرژی را با راندمان بیشتر از 90% تولید نمایند.
شرح دستگاه شکل (1) جزئیات این دستگاه را نشان می دهد آب از طریق لوله ای که وصل به پمپ می باشد به لوله ای عمودی که در قسمت بالای این لوله نازلی قرار دارد وارد دستگاه می شود آب بعد از عبور از نازل به صورت جت آبی از نازل خارج شده که بر اثر برخورد آن به یک سطح صاف و یا سطح نیمکره تو خالی (پره) که در مقابل جت قرار گرفته اند باعث تغییر ممنتم در جریان و در نتیجه وارد شدن نیرو به این صفحات می شود نازل و صفحات در داخل استوانه ای شیشه ای قرار گرفته اند.
در کف این استوانه یک خروجی قرار دارد که آب را به تانک وزنی جهت اندازه گیری دبی آن هدایت می کند.
شکل 1: عبور جریان بر روی پره همانطوری که در شکل (1) مشخص است پره ها به یک بازویی متصل بوده که بر روی این بازو یک وزنه متحرک قرار دارد و این بازو توسط یک فنر نگه داشته شده است .
بازو را قبل از انجام آزمایش و در حالی که وزنه روی صفر خط کش قرار داده شده است و در صورت نیاز با چرخاندن پیچ بالای آن بصورت افقی و تراز در می آوریم.
نیرویی که بر اثر برخورد جت آب بر روی صفحات وارد می شود را می توان با جابجا کردن وزنه متحرک روی بازو آنرا به حالت تعادل اولیه در آوردن اندازه گرفت.
تئوری آزمایش طبق شکل (2) پره ای را که نسبت به محور x دارای تقارن است در نظر می گیریم جت آب با جریانی معادل W (kg/s) در امتداد محور x و با سرعت (m/s) به این پره برخورد کرده و با زاویه و سرعت (m/s) از آن خارج می شود از تغییرات ارتفاع و تغییر فشار پیزومتری از نقطه برخورد جت به پره تا نقطه خروج از آن صرف نظر می شود.
میزان ممنتم ورودی به سیستم در جهت x مساوی است با : میزان ممنتم خروجی از سیستم در جهت x مساوی است با : با توجه به قانون ممنتم نیروی وارد بر سیال مساوی است با تغییرات ممنتم در سیستم: بنابراین نیروی وارد بر پره (F) مساوی است با : (N) (1) در حالت آزمایش با پره دارای سطح صاف ، زاویه را می توان مساوی 90 فرض گرفته و بنابراین می شود در نتیجه رابطه (1) به شکل زیر در می آید: (N) (2) در حالت آزمایش با پره نیمکره ای شکل ، زاویه را می توان مساوی 180 فرض گرفته و بنابراین می شود که در این صورت معادله (1) بصورت زیر در خواهد آمد : (N) (3) با توجه به اینکه از تغییرات ارتفاع و فشار پیزومتری بین نقاط ورودی و خروجی برخورد جت صرف نظر شده است بنابراین با صرف نظر کردن از هر گونه افت انرژی ، ماکزیمم مقدار مساوی بوده و معادله (3) را برای حالت ماکزیمم نیروی وارد بر نیمکره بصورت زیر می توان نوشت : (N) یعنی نیروی وارد بر پره نیکره ای شکل تقریباً 2 برابر حالت نیروی وارد بر صفحه صاف خواهد بود.
شکل 2: عبور جریان بر روی پره روش آزمایش : در ابتدا کل دستگاه و همچنین میله بالای دستگاه (در حالتی که وزنه متحرک روی میله روی صفر باشد) را به حالت تراز در می آوریم با روشن کردن پمپ و باز نمودن شیر آب جریان را در دستگاه ایجاد می نمائیم آزمایش را با ماکزیم جریان شروع نموده و با حرکت در آوردن وزنه متحرک بر روی میله ، آنرا به حالت تعادل اولیه در می آوریم وزن آب را اندازه می گیریم این آزمایش تقریباً برای 8 مقدار دبی مختلف انجام می دهیم بهتر است تغییرات دبی را در فواصل یکسان وزنه متحرک روی میله تنظیم نمائیم این آزمایش را برای هر دو صفحه (صفحه صاف و صفحه نیمکره توخالی) انجام می دهیم.
اطلاعات و پارامترهای زیر جهت انجام محاسبات مربوط به این آزمایش مورد نیاز می باشد: قطر نازل 10= mm جرم وزنه متحرک روی میله = 61/0 kg فاصله بین مرکز پره تا محور اهرم = 1525/0 m (S) ارتفاع پره از نقطه خروجی نازل = 37 mm نیروی وارد بر صفحه = F(N) فاصله وزنه متحرک تا صفر خط کش مدرج = Y(m) با گرفتن گشتاور می توان نیروی F را محاسبه نمود: F* 1525/0 = 61/0 * 81/9 *Y (5) با توجه به اختلاف ارتفاع بین دهانه خروجی نازل و مرکز پره ، سرعت جت در محل برخورد به صفحه از سرعت خروجی از دهانه نازل (U) کمتر بوده و از طریق زیر می توان محاسبات را انجام داد: (6) سطح مقطع نازل = m/s (7) جداول و نمودارهای زیر را تکمیل نمائید: 1- جداول مربوط به صفحه صاف و نیم کره تو خالی در این جداول مقادیر به ترتیب از روابط (7) و (6) و مقدار F از رابطه (5) محاسبه می شوند.
2- نمودار تغییرات F نسبت به ممنتم برا ی هر دو صفحه صاف و نیم کره فصل پنجم : وسایل اندازه گیری شدت جریان مقدمه در اغلب مسائل مربوط به حرکت سیالات ، اطلاع از مقدار سیال عبور ی(دبی از اهمیت ویژه ای برخوردار است دستگاه وسایل اندازه گیری شدت جریان وسیله ای است جهت اندازه گیری دبی یک سیال تراکم ناپذیر به روش های مختلف با این دستگاه می توان به استفاده از تجهیزات میز هیدرولیکی ، دبی واقعی را بدست آورده و سپس با دبی محاسبه شده از روابط تئوری مربوط به دستگاههایی چون ونتوری متر و اوریفیس متر مقایسه نمود طرح این دستگاه به گونه ایست که علاوه بر محاسبه دبی ، می توان کاربرد معادله برنولی و همچنین افت فشار در قسمتهای مختلف دستگاه را ملاحظه و بررسی نمود شکل (1) و (2) قسمتهای مختلف دستگاه را نشان می دهد.
شرح دستگاه با توجه به شکل (1) و (2) ابتدا آب توسط پمپ از مخزن به طرف دستگاه جریان می یابد بطوریکه ازیک شیر گذشته و از سمت چپ وارد دستگاه می شود و به ترتیب از قسمتهای مختلف زیر عبور می کند که عبارتند از : شکل 1: دستگاه وسایل اندازه گیری شدت جریان شکل2: قسمتهای مختلف دستگاه وسایل اندازه گیری شدت جریان ونتوری متر که از یک لوله ورودی همگرا ، یک گلوگاه و یک لوله خروجی واگرا تشکیل شده است .
دیفیوزر که یک افزایش سطح سریع می باشد.
اوریفیس متر که صفحه ایست با یک سوراخ دایره ای شکل با قطر کوچکتر از لوله که در مسیر لوله قرار می گیرد.
در شکل (3) محل نصب لوله های پیزومتر در اوریفیس و همچنین چگونگی حرکت سیال از این مقطع بوسیله خطوط جریان نشان داده شده است .
شکل 3 زانویی 90 که قطر ورودی آن مساوی mm51 و قطر خروجی برابر mm26 می باشد .
روتامتر که یک لوله مدرج قائم با سطح مقطع داخلی واگراست و در داخل آن شناوری قرار دارد که موقعیت آن در لوله بستگی به میزان دبی عبوری از دستگاه دارد شکل (4).
پس از روتامتر آب از شیرکنترل گذشته و وارد تانک اندازه گیری میز هیدرولیکی می شود مقدار فشار در قسمتهای مختلف دستگاه توسط پیزومترهای H.G.F.E.D.C.B.A و I که در شکل (2) مشخص شده اند اندازه گیری می شود تمامی پیزومترها ، متصل به یک محفظه هوای متراکم هستند که جهت کنترل ارتفاع سیال در پیزومترها بکار می رود و در ابتدای آزمایش تنظیم می شود.
شکل 4: اجزاء روتامتر تئوری آزمایش و روابط مربوط به دستگاه همانطور که از مکانیک سیالات می دانیم در یک سیستم تحت فشار با جریان دائم ، و سیال تراکم ناپذیر ، رابطه انرژی یا معادله برنولی بین دو مقطع (1) و(2) ، (شکل 5) از این سیستم بصورت زیر نوشته می شود.: شکل 5: مشخصات جریان بین دو نقطه از سیستم (1) در رابطه فوق ( : هد فشار ) ، ( : هد سرعت ) ( Z : هد ارتفاع ) و ( : ارتفاع معادل افت انرژی بین مقطع ؟
می باشد.
از معادله برنولی (1) می توان روابطی برای هر یک از قسمتهای مختلف دستگاه وسایل اندازه گیری شدت جریان بدست آورد که در ادامه این روابط برای هر قسمت بدست آورده شده است .
محاسبه دبی ونتوری متر با توجه به شکل (2) ، قسمت ورودی ونتوری متر که بین پیزومترهای B,A قرار دارد به علت همگرا بودن این قسمت ، میزان افت انرژی در این قسمت ناچیز و قابل صرف نظر می باشد و( ) بنابراین معادله برنولی بین دو مقطع B,A بصورت زیر نوشته می شود : و اکنون برای بدست آوردن رابطه ای برای محاسبه دبی چنین می نویسیم : و از معادله برنولی داریم : با نوشتن معادله فشار هیدرواستاتیک بین پیزومترهای B,A در لوله های مانومتری متصل به آنها داریم : که در رابطه فوق به ترتیب ارتفاع نشان داده شده توسط پیزومترهای B,A می باشد.
با توجه به اینکه قطر لوله در نقاط B,A به ترتیب mm26 و mm16 می باشد و با در نظر گرفتن 81/9= g و با استفاده از روابط فوق خواهیم داشت : (2) با فرض اینکه جرم مخصوص آب برابر باشد رابطه زیر برای محاسبه دبی جرمی بدست می آید: (3) اوریفیس متر با نوشتن معادله برنولی بین دو نقطه F,E از جریان ، خواهیم داشت .
(4) با آزمایشاتی که بر روی اوریفیس متر انجام شده رابطه زیر را معادل رابطه برنولی که در فوق بدست آمده است می توان نوشت .
(5) ضریب K براساس تجربیات بدست آمده و برای دستگاه مورد آزمایش مساوی 7و6 می باشد .
با توجه به اینکه که در آن سطح مقطع جریان در بالا دست اوریفیس با قطر mm51 و سطح مقطع جریان در پایین دست اوریفیس با قطری برابر با قطر اوریفیس مساوی mm20 در نظر گرفته شده است و با استفاده از همان روشی که قبلاً برای ونتوری انجام گرفته است می توان مقدار دبی را با بکار بردن رابطه (5) محاسبه نمود.
(6) با جایگذاری مقادیر معلوم در رابطه فوق و فرض 81/9= g خواهیم داشت : (kg/s) روتامتر با در نظر گرفتن شکل (4) : شدت جریان = Q