Khảo sát sự chảy của nước ở phòng thí nghiệm trong một hệ thống ống dẫn có đường kích thước khác nhau và có chứa lưu luojng kế màng chắn, venturi cùng các bộ phận nối ống như cút, van, chữ t

I. Trích yếu
1. Mục đích:
Khảo sát sự chảy của nước ở phịng thí nghiệm trong một hệ thống ống dẫn có
đường kích thước khác nhau và có chứa lưu luojng kế màng chắn, Venturi cùng các bộ
phận nối ống như cút, van, chữ T.

2. Cơ sở lý thuyết:
a. Lưu lượng kế màng chắn và Venturi:
Nguyên tắc của 2 công cụ này là dùng sự giảm áp của lưu chất khi chảy qua chúng
để đo lưu lượng.
Vận tốc trung bình ở vị trí (2) được tính từ cơng thức tổng kê năng lượng:
V2=C

√

P
(1−β 4)

(1)

Trong đó:
C: hệ số của màng chắn Venturi, nó tùy thuộc vào chế độ chảy Re.
P: độ giảm áp suất qua màng chắn hay Venturi, N/m2
: trọng lượng riêng của lưu chất, N/m3
β=

d2
: tỉ số giữa đường kính cổ Venturi hay đường kính lỗ màng chắn trên đường
d1

kính ống.

Do đo lưu lượng qua màng chắn hay Venturi:
Q = V2A2 = V1A1

(2)

b. Tổn thất năng lượng do sự chảy của ống dẫn:
Khi lưu chất chảy trong ống, ta có sự mất năng lượng do ma sát ở thành ống. Xét
trường hợp một ống trịn đều nằm ngang.
Từ phương trình Bernouli ta có:
2
−∆ P ∆(α V )
+
+ ∆ Z + H f =0 (3)
ρgg
2g
∆ ( α V 2)
Vì
= 0 và Z = 0
2g
(−∆ P )
 Hf =
(4)
ρgg

H f : Thủy đầu tổn thất ma sát trong ống, m


T ổ ngthất năng lượng này liên hệ với thừa số ma sát bằng phương trình

Darceyweisbach:

H f =f

LV 2
2 gD

(5)

f: là hệ số ma sát, vô thứ nguyên.
L: chiều dài ống, m.
D: đường kính ống, m.

 Trong chế độ chảy tầng
Tổn thất mà sát được tính theo cơng thức sau:
Hf =

32 μlVlV
g V 2 ρg

(6)

Hệ dố ma sát f có thể tính theo cơng thức của Hagen-Posieuille:
f=

64 μlV 64
=
DVρg ℜ

(7)

 Đối với sự chảy rối

Hệ số ma sát f tùy thuộc vào Re và độ nhám tương đối của ống (

ε
). Độ nhám
D

tương đối của ống là lỷ số giữa độ nhám thành ε trên đường kính ống D.
Người ta có thể tính f từ một số phương trình thực nghiệm như phương trình
ε
D

Nikuradse, hay để thuận tiện người ta sử dụng giản đồ f theo Re và ( ) (giản đồ
Moody).
Ngoài ra sự mất mát năng lượng là do ma sát trong ống nói tren, ta cịn có sự mất
mát năng lượng do trở lực cục bộ, ví dụ: do sự thay đổi tiết diện chảy, hay do sự thay
đổi tiết diện van.
Trong trường hợ này ta có cơng thức tính trở lực cục bộ như sau:
∆ Pcb =f

l tđ v2
(8)
2 gD

Với l tđ : chiều dài tương đương của cút, van, … chiều dài tương đương được định

nghĩa như chiều dài của một đoạn ống thẳng có cùng tổn thất năng lượn gtại van, cút
trong điều kiện như nhau.
Trở lực này bằng thế năng riêng tiêu tốn để thằng trở lực do bộ phận ta đang xét
gây ra:
∆ Pcb =

v2
2g

(9)


So sánh 2 vế của công thức (8) và (9) ta có:
lt đ
(10)
D
D
Từ đó ta có: l t đ =
f
¿f

(11)

II. Thiết bị và phương pháp thí nghiệm
1. Thiết bị thí nghiệm:
a. Sơ đồ thí nghiệm
b. Dụng cụ thí nghiệm
Thì kế để tính thời gian
Số liệu kích thước 4 ống dẫn bằng inox:
Loại ống
Đường kính ngồi (mm)
A
34
B
26.5

C
21.5
D
16.5
Độ nhám e=0,000005
Màng chắn: lối vào: 40mm đường kính lỗ: 17mm
Venturi: lối vào: 40mm đường kính cổ: 17mm

Đường kính trong (mm)
29
22
17
13.5

2. Phương pháp thí nghiệm:
Trướng khi làm thí nghiệm, phải kiểm tra van 8 ln luôn để mở cố định.

a. Trắc định lưu lượng kế màng chắn và Venturi
- Mở van 9 cho nước vào bình đến vạch tối đa (1cm trên vạch tương đương 1 lít).
- Mở hồn tồn van 4, 5; đóng van 6,7; mở 2 van ở 2 nhánh áp kế của màng chắn và
venturi
- Cho van chạy và từ từ mở van 6 sau đó khóa lại và kiểm tra mực nước trong cọt áp
kế màng và ven tủi có bằng nhau chưa. Nếu casccoojt chất lỏng bằng nhau trong tứng
nhánh (của màng và venturi) chúng ta tiến hành làm thí nghiệm. Cịn nếu chưa bằng
nhau thì tiếp tục mở, đóng van 6.
- Khi mực chất lỏng trong cột áp của màng chắn hay của venturi đã bằng nhau, ta
tiến hành làm thí nghiệm.
- Ta chọn lưu lượng trước tùy ý ( ghi vào bảng 1). Từ từ mở van 7, ứng với mỗi độ
mở van 7 với lưu lượng đã chọn ta đọc cột áp của venturi, màng chắn và thời gian. Khi
hết nước tỏng bình chứa phải đóng lại van 7, mở van 6 và mở van 9 cho nước vào bình

chứa. Lặp lại thí nghiệm 1 từ 2 đến 3 lần.


b. Thiết lập giản đồ f theo Re cho ống A, B, C, D và van số 5
 Cho ống A
Khóa van 6, 7; mở van 9 cho nước chảy vào đầy bình chứa, mở 2 van ở 2 nhánh áp
kế của ống A. Kiểm tra mực nươc trong cột áp kế ống A, nếu mức nước bằng nhau thì
ta tiến hành thí nghiệm. Dùng van 6 để chỉnh lưu lượng (giống chỉnh van 7 trong thí
nghiệm 1). Ứng cới mỗi độ mở của van 6 ta đọc độ giảm áp của màng chắn và cho ống
a có độ dài k = 1.5m. Van 6 chỉnh đến độ mở tối đa.
 Cho ống B,C,D
Thao tác tương tự thí nghiệm cho ống A, thay vì mở van 4 thì lúc này ta mở van 3
hoặc 2 hoặc 1 tùy loại ống.
 Cho van số 5
Van số 5 vẫn để mở hoàn toàn. Dùn van số 6 dể chỉnh lưu lượng giống thí nghiệm
trên, ứng với mỗi độ mở của van 6 ta đọc độ giảm áp của màng và van.
Xong thí nghiệm với độ mở hồn tồn ta đóng lại van số 5 một vòng

1
sẽ được độ
2

3
4

mở , rồi tiếp tục đo như trên; khi nào mở hết cỡ van số 6, lúc đó độ giảm áp của màng
và van khơng thay đổi, nghĩa là đo độ mở

3
đã xong. Tiếp tục khóa van số 5 một vịng

4

1
1
ta sẽ được độ mở rồi tiếp tục đo. Như vậy ta đã thí
2
4
3
1
nhay của van số 5: mở hoàn toàn, mở , mở và độ mở
4
2

nghiệm xong với độ mở khác
1
.
4

Trở lực theo độ mở của van cho trong bảng sau:
Độ mở

Hoàn toàn

3
4

1
2

1

4


≈ t của ống
0,26
2,06
17
Vì khơng kiểm nghiệm được hệ số ma sát f theo từng độ mở van của thí nghiệm 3
nên khi tính l tđ cho phép sử dụng kết quả của thí nghiệm 2 cho ống A chiều dài.

III. Số liệu và xử lí số liệu
1. Số liệu thơ:
a. Thí nghim 1
STT
1
2
3
4

Ch m
Hon ton
ắ
ẵ
ẳ

W (lớt)
6
5,5
4,5
5,5

t (s)
16
16
14
17

Pm (cm H2O)
10,5
11,3
11,5
9,5

Pv (cm H2O)
8
7,3
7
5


b. Thớ nghim 2
ng A
STT
1
2
3
4

Ch m
Hon ton

ắ
ẵ
ẳ

Pm (theo ng A)
10,5
11,3
11,5
9,5

PA (cm H2O)
1
1,4
1
1

Ch m
Hon ton
ắ
ẵ
ẳ

Pm (theo ng B )
9,2
8
8,8
8

PB (cm H2O)
4

4
5
3,5

Ch m
Hon ton
ắ
ẵ
ẳ

Pm (theo ng C)
6,5
4,5
5
4

PC (cm H2O)
12
12
10
7

Ch m
Hon ton
ắ
ẵ
ẳ

Pm (theo ng D)
3

1,8
3
2

PD (cm H2O)
10
9
11,2
10

Ống B
STT
1
2
3
4

 Ống C
STT
1
2
3
4

 Ống D
STT
1
2
3
4

c. Thí nghiệm 3 ( van s 5)
STT
1
2
3

Ch m
Hon ton
ắ
ẵ

Pm (cm H2O)
15,1
15,3
14,5

P5 (cm H2O)
4,5
5,1
9,5


2. Xử lí số liệu:
a. Thí nghiệm 1: Hệ số của màng chắn và Venturi
Xét điều kiện thí nghiệm là 30oC  ρg =996 kg/m3; v = 0,81x10-6 m2/s
Gia tốc trọng trường g = 9,81m/s2  trọng lượng riêng của lưu chất γ = 996 x
9,81=9770,76 N/m3
Độ nhớt của nước μlV = 0,0008 Ns/m2
1mmH2O = 9,81Pa  1cmH2O = 98,1 Pa

Cơng thức tính lưu lượng Q=

W
(L/s)
t

Cơng thức tính hệ số lưu lượng C =
=

√

V
∆P
γ (1−β 4)

d2
0,017
=
= 0,425: tỉ số giữa đường kính cổ venture hay lỗ màng chắn trên
0,04
d1

đường kính ống)
o Hệ số màng chắn và venture ( trường hợp mở hoàn toàn):
Lưu lượng Q =

W
6
=
= 0,375 (L/s)

t
16

Vận tốc qua màng chắn và venture V =

4 Q 4 ×0,375 ×10−3
=
= 1,65 m/s
π d2
3,14 × 0,0172

(với d=17mm: đường kính lỗ màng chắn và venture)
Re =

ρgVd 996 ×1,65 ×10−3
=
= 34922,25
μlV
0.0008

Hệ số của màng chắn và venture
C m=V
C v =V

√
√

γ(1−β 4)
9770,76×(1−0,4254 )
= 4,998

=1,65
∆ Pm
10,5× 98,1

√
√

γ (1−β 4)
9770,76×(1−0,4254 )
= 5,726
=1,65
∆ Pv
8× 98,1

Hiệu số thủy dầu áp suất của màng chắn và venture
∆ Pm 10,5× 98,1
=
=0,105
ρgg
996× 9,81
∆ PV
8 ×98,1
=
=0,0803
ρgg
996 ×9,81

Tính tốn tương tự như vậy cho các chế độ mở 3/4; 1/2; ¼
Từ đó ta tính được bảng sau:
STT

Chế độ
mở

W
(lít)

t
(s)

Q
V
(lít/s) (m/s)

Re

Pm
Pv
(cmH2O) (cmH2O)

Cm

Cv


1
2
3
4

Hon
ton
ắ
ẵ
ẳ

6

16

0,375

1,65

34922,25

10,5

8

1,596 1,828

5,5
4,5
5,5

16
14
17

0,344 1,56
33017,4
0,321 1,414 29927,31
0,323 1,423 30117,795

11,3
11,5
9,5

7,3
7
5

1,454 1,809
1,307 1,675
1,44 1,99

STT

Ch
m

Q
(lớt/s)

Pm
gg

PV
gg

1

Hon
ton
ắ
ẵ
ẳ

0,375

(mH2O)
0,105

(mH2O)
0,0803

0,344
0,321
0,323

0,113
0,115
0,095

0,0733
0,0703
0,0502

2

3
4

Gin lu lng Q (L/s) i vi hiệu số thủy đầu áp suất

∆ Pm
∆ PV
và
qua
ρgg
ρgg

màng chắn và ống venturi
0.4
0.38
0.36
Q (L/s)

màng chắn
Venturi

0.34
0.32
0.3
0.04

0.05

0.06

0.07

0.08

0.09

∆𝑷/𝝆𝒈 (mH2O) (mH2O)

Giản đồ hệ số lưu lượng kế Cm và Cv theo Re

0.1

0.11

0.12


C theo Re
2.2
2
1.8

C

Cm
Cv

1.6
1.4
1.2

1
29000

30000

31000

32000

33000

34000

35000

36000

Re

b. Thí nghiệm 2: Tính thừa số ma sát trong ống dẫn
Xét ống A mở hoàn toàn:
Ở chế độ mở hồn tồn:
- Từ Cm tìm được ở thí nghiệm 1 và ΔPm ở thí nghiệm 2, dùng cơng thức sau ta tìm
được Q :
y= -0.0002x + 0.3436 (L/s)
-

Vận tốc dịng: V=

4Q

πd 2

(m/s)

(với d=29mm: đường kính trong của ống A)
-

ΔPP.2.g.d
LV 2
Thừa số ma sát trong ống A: f =

( với L=1.5m: chiều dài của ống A).

ρgVd
- Chuẩn số Reynolds: Re = μlV


Thực hiện phép tính tương tự như tính cho ống A với việc sử dụng số liệu đo được
cho từng ống B, C, D trong thí nghiệm 2 và đường kính trong ống B,C, D lần lượt là:
22mm, 17mm, 13.5mm, chiều dài ống B, C, D là 1.5m.

Kết quả:
 Ống A
Pm
(m H2O)
gg

Ch m
HT
ắ

ẵ
ẳ

PA
(m H2O)
gg

0,1054
0,1134
0,1154
0,0953

0,01
0,014
0,01
0,01

Q (lớt/s)

V(m/s)

f

Re

0,289
0,297
0,299
0,279

0,43753
0,44965
0,45267
0,42239

0,0199
0,0264
0,0186
0,0213

15718
16154
16262
15175

Tha s ma sát f theo Re của ống A
0.03
0.03

f

0.02
f(x) = 0 x + 0.01
R = 0.02

0.02
0.02
0.02
0.02
15000

15200

15400

15600

15800

16000

16200

16400

Re

ng B
Ch m
HT
ắ
ẵ
ẳ

Pm
(m H2O)
gg

0,0923
0,0803

0,0883
0,0803

PB
(m H2O)
ρgg

0,0401
0,0401
0,0502
0,0351

Q (lít/s)

V(m/s)

f

Re

0,276
0,264
0,272
0,264

0,726
0,6944
0,7155
0,6944

0,0219
0,024
0,0282
0,021

19788
18927
19501
18927


Thừa số ma sát f theo Re của ống B
0.03
0.03
0.03
f(x) = 0 x 0.01
R = 0.05

f

0.02
0.02
0.02
0.02
0.02
18800

19000

19200

19400

19600

19800

20000

Re

ng C
Ch
m
HT
ắ
ẵ
ẳ

Pm
ρgg

(m H2O)

0,0652
0,04518
0,0502
0,04016

∆ PC

ρgg

(m H2O)

0,12048
0,12048
0,1004
0,0703

Q (lít/s)
0,248
0,228
0,233
0,223

V(m/s)
1,0926
1,0045
1,0265
0,9825

f
0,0224
0,0266
0,0212
0,0162

Re
23010
21154

21618
20691


Thừa số ma sát f theo Re của ống C
0.03
0.03
0.03

f

0.02

f(x) = 0 x − 0.01
R² = 0.09

0.02
0.02
0.02
0.02
20500

21000

21500

22000

22500

23000

23500

Re

 Ống D
∆ Pm
ρgg

(m H2O)

0,0301
0,0181
0,0301
0,0201

∆ PD
ρgg

(m H2O)
0,1004
0,0903
0,1104
0,1004

Q (lít/s)
0,213
0,201
0,213

0,203

V(m/s)
1,4881
1,4042
1,4881
1,4182

f
0,008
0,0081
0,0088
0,0088

Thừa số ma sát f theo Re ca ng D

f

Ch
m
HT
ắ
ẵ
ẳ

0.01
0.01
0.01
0.01
f(x) = 0 x + 0.01

0.01
R = 0
0.01
0.01
0.01
0.01
0.01
0.01
23400 23600 23800 24000 24200 24400 24600 24800 25000

Re

Re
24886
23484
24886
23718


c. Thí nghiệm 3: tính chiều dài tương đương của van số 5
Ở chế độ van 5 mở hoàn toàn và van 6 mở hồn tồn:
-

Từ Cm tìm được ở thí nghiệm 1 và ΔPm ở thí nghiệm 2, dùng cơng thức sau ta tìm
được Q :
Y = -0.0002x + 0.3436 (L/s)

-

Vận tốc dòng: V=

4Q
πd 2 (m/s)

ρgVd
- Chuẩn số Reynolds : Re= μlV
ξdd
Chiều dài tương đương: le = f (m
Độ m
HT

ắ
ẵ
ẳ

Pm
gg

P5
(cm
gg

Q (L/s)

V (cm/s)

V2/2g
(m)

f

Re

le

(cm H2O)

H2O)

15,161
15,361

4,518
5,12

0,335
0,337

26,658
26,818

0,0036 0,0177
0,0037 0,0177

13210
13289

0,09
0,588

14,558

9,538

0,329

26,181

0,0035 0,0175

12973

4,709

15,161

4,518

0,335

26,658

0,0036 0,0177

13210

0,09

Lu lượng Q theo độ mở của van ở một vài áp suất
12

10
8

Q (L/s)

6
4
2
0
0.5

=0
1 f(x)1.5
R² = 0

2

2.5

3

3.5

Δp/ρg (cmH2O)p/ρg (cmH2O) g (cmH2O)

4

4.5

5

5.5


IV. Nhận xét và đánh giá
1. Biện luận:
a. Thí nghiệm 1: hệ số lưu lượng kế Cm và Cv theo chế độ chảy Re
Ta có đường kính lỗ màng và đường kính cỗ venturi bằng nhau nên
V2=C

√

P
(1−β 4)

Có  và V2 bằng nhau  C tỉ lệ với P
Cấu tạo của màng chắn và venturi khác nhau (màng chắn thay đổi kich thước đột
ngột hơn  tổn thất áp suất lướn hơn venturi) Cm < Cv  kết quả thí nghiệm trên là
đúng.
Sự phụ thuộc Cm và Cv theo Re: theo phương trình trên, hệ số lưu lượng tỉ lệ thuận
với vần tốc dòng chảy và tỉ lệ nghịch với P. Mà Re tăng dẫn đến P tăng, do đó C
tăng hay giảm phụ thuộc vào mức độ tawgn nhiều hay ít của Re và P.
So sánh lưu lượng kế màng và venture: do Pm > Pv nên khi sử dụng lưu lượng kế
ven tủi sẽ cho kết quả chính xác hơn.

b. Thí nghiệm 2: hệ số ma sát f theo chế độ chảy Re cho ống A, B, C, D
Theo lý thuyết:
Chảy tầng: f=f1 (Re)
Chảy rối thành trơn: f=f2 (Re)
Chảy rối thành trơn sang chảy rối thành nhám: f=f3 (Re, /d)

Chảy với thành nhám hoàn toàn: f=f4 (/d)
Tỉ số /D khơng đổi thì đường biểu diễn f sẽ khơng phụ thuộc chiều dài
ống.
Theo thực nghiệm:
Chiều dài ống ảnh hưởng đến f, điều này có thể hiểu là do độ nhám của ống khơng
đồng đều, khơng thơng suốt, có thể là do có cặn đóng trong lịng ống.

c. Thí nghiệm 3: Xác định chiều dài tương đương của van
Giản đồ Q theo độ mở của van ở một vài áp suất: theo đồ thị ta thấy, ứng với một
giá trị tổn thất cột áp nhất định, lưu lượng tăng theo độ mở của van.
Chiều dài tương đương của van: độ mở của van cũng ảnh hưởng đế chiều dài
tương đương của van. Độ mở càng lớn kar năng cảng trờ dòng càng nhỏ, chiều dài
tương đương cà bé. Chiều dài tương đương nhỏ nhất khi mở van hồn tồn.

2. Lí do sai số:


-

Van được mở bằng tay người nên có thể khơng chính xác chế độ mở.
Đọc kết quả chậm nên sai số nhiều.
Thời gian được xác định bằng đồng hồ do người thí nghiệm bấm nên có thể sai
số nhiều.
Các ống có độ nhám khơng đồng nhất, thành ống có thể bị đóng cặn
Đọc số liệu áp kế có thể bị sai số nhiều do chiều cao người thí nghiệm.

3. Đề nghị mục đích sử dụng của van:
Van trịn nên được sử dụng khi muốn điều tiết một lưu lượng nhỏ, hoặc muốn tăng
giảm một lượng nước nhỏ.
Do có hiện tượng giảm áp của lưu chất khi chảy qua van nên ngồi chức năng thay

đổi lưu lượng của dịng chảy, van con được sử dụng làm van tiết lưu trong cái hệ
thống khác.

V. Tài liệu tham khảo:
Nguyễn Bin, Các quá trình, thiết bị trong cơng nghệ hóa chất và thực phẩm (tập 1),
NXB Khoa học và Kỹ thuật.