Chế tạo mô hình reynolds phục vụ mô học thí nghiệm các quá trình thiết bị và cơ học trong kỹ thuật môi trường

BỘ CÔNG THƯƠNG
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP THỰC PHẨM TPHCM
KHOA CN SINH HỌC & KT MÔI TRƯỜNG

BÁO CÁO ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
ĐỀ TÀI: Chế tạo mô hình Reynolds phục vụ mô học thí nghiệm các quá trình thiết
bị và cơ học trong kỹ thuật môi trường
Hướng dẫn Sinh viên thực hiện
ThS. TRẦN ĐỨC THẢO LÊ THỊ PHƯƠNG THẢO 3009110392
NGUYỄN THỊ KIM 3009110461
LÊ TIẾN QUỲNH 3009110
Lớp: 11CDMT
TP. Hồ Chí Minh, tháng 6/2014
1
NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN

LỜI CẢM ƠN
2
Lời đầu tiên chúng em xin chân thành cảm ơn Trường Đại Học Công Nghiệp Thực Phẩm
Tp. Hồ Chí Minh, khoa Công Nghệ Sinh Học và Kỹ Thuật Môi Trường đã tạo điều kiện
và giúp đỡ nhóm chúng em được làm đồ án tốt nghiệp.
Nhóm chúng em xin gửi lời cảm ơn đến các thầy cô trong khoa và thầy Trần Đức Thảo
đã tận tình chỉ bảo, đóng góp ý kiến và động viên nhóm trong quá trình nhóm thực hiện
đồ án tốt nghiệp.
Một lần nữa nhóm xin kính chúc các thầy cô sức khỏe và thành công trong công việc.
Nhóm sinh viên thực hiện
LÊ THỊ PHƯƠNG THẢO
NGUYỄN THỊ KIM
LÊ TIẾN QUỲNH
LỜI CAM ĐOAN
3
Nhóm chúng em xin cam đoan rằng báo cáo đồ án tốt nghiệp này là do nhóm chúng em
thực hiện. Mô hình, các số liệu nghiên cứu là do nhóm tiến hành thực hiện, trung thực,
không sao chép bất kỳ tài liệu khoa học nào.
Ngày … tháng … năm
Sinh viên thực hiện
(ký và ghi rõ họ tên)
MỤC LỤC
4
DANH MỤC BẢNG
5
DANH MỤC HÌNH
6
DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT
7

1. ĐẶT VẤN ĐỀ
Nhằm giúp cho sinh viên có thể hình dung và củng cố phần cơ sở lý thuyết đã được
tìm hiểu trên giảng đường và ứng dụng của kiến thức đó vào trong thực tiễn đời sống
cũng như trong sản xuất. Nhưng việc tiếp cận với thực tế đáp ứng được yêu cầu trên
không đơn giản. Vì thế việc tạo ra một mô hình mô phỏng nguyên lý, nguyên tắc hoạt
động của một hệ thống hay một vấn đề nào đó rất cần thiết cho nhu cầu của sinh viên
hiện nay.
8
Môn học Thí nghiệm Các quá trình thiết bị và Cơ học trong kỹ thuật môi trường là
một môn học quan trọng đối với sinh viên ngành kỹ thuật môi trường, giúp sinh viên hiểu
rõ bản chất các quá trình thủy lực trong ngành môi trường. Tuy nhiên hiện nay, các thiết
bị phục vụ cho môn học còn nhiều hạn chế, một số thiết bị chưa có đã gây khó khăn cho
quá trình giảng dạy và học tập của giáo viên và sinh viên trong nhà trường. Được sự đồng
ý của Ban chủ nhiệm Khoa, Bộ nhóm chúng em tiến hành thực hiện đề tài Chế tạo mô
hình Reynolds phục vụ môn học Các quá trình thiết bị và cơ học trong Kỹ thuật môi
trường.
2. MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU
Đáp ứng nhu cầu trong phục vụ môn học: “ Các quá trình thiết bị và cơ học trong Kỹ
thuật môi trường”.
Quan sát, phân biệt các trạng thái của lưu chất và sự quá độ chuyển từ trạng này sang
trạng thái kia.
Xác định trị số Re tương ứng với từng trạng thái, so sánh kết quả thực nghiệm của
Reynolds.
3. PHƯƠNG PHÁP THỰC HIỆN
3.1. Phương pháp khảo sát, thu thập số liệu
3.1.1. Phương pháp thu thập số liệu từ tham khảo tài liệu
Phương pháp này là dựa trên nguồn thông tin sơ cấp và thứ cấp thu thập từ những tài
liệu nghiên cứu trước đây để xây dựng cơ sở luận cứ để chứng minh giả thuyết.
3.1.2. Phương pháp thu thập số liệu từ thực nghiệm
Trong phương pháp này số liệu được thực hiện bằng cách quan sát, theo dõi, đo đạc

các thí nghiệm.
3.1.3. Phương pháp mô hình hóa: Tính toán, chế tạo mô hình Reynolds.
Phương pháp mô hình hóa nghiên cứu hệ thống thông qua việc xây dựng các mô hình
hoạt động của chúng.
Phương pháp mô hình hóa được sử dụng khi biết rõ các yếu tố đầu vào, đầu ra và các
biến đổi bên trong hệ thống.
9
Tiến hành thực nghiệm để so sánh kết quả thực nghiệm với lý thuyết.
4. NỘI DUNG THỰC HIỆN
4.1. Tổng quan mô hình Reynolds
Thí nghiệm mô hình Reynolds được O.Reynolds thực hiện vào năm 1883 nhằm mục
đích quan sát cấu dòng chảy, bằng thực nghiệm đã phát ra sự tồn tại hai trạng thái chảy
khác biệt nhau của chất lỏng và chứng minh rằng chúng có liên quan đến tổn thất năng
lượng của nó.
4.2. Chế tạo mô hình Reynolds.
Chế tạo khung mô hình (bể chứa nước, bể chứa dung dịch màu, ống quan sát các
chuyển động của chất lỏng,…).
Chế tạo hệ thống điện, nước, bố trí các phần phụ.
Lắp ráp và hoàn thiện các phần của mô hình theo tiêu chí dễ vận hành, dễ quan sát,
thẩm mỹ.
4.3. Tiến hành thí nghiệm
Thí nghiệm với trường hợp lưu lượng tăng dần (dòng chảy chuyển từ trạng thái chảy
tầng sang chảy rối).
Thí nghiệm với trường hợp lưu lượng giảm dần (dòng chảy chuyển từ trạng thái chảy
rối sang chảy tầng).
5. Ý NGHĨA CỦA ĐỀ TÀI
Phục vụ nhu cầu học tập và nghiên cứu cho môn học: “ Các quá trình thiết bị trong
Kỹ thuật môi trường”.
Nâng cao chất lượng thí nghiệm và tạo điều kiện thuận lợi cho quá trình thí nghiệm.
Kế thừa, phát huy sáng tạo ra mô hình thí nghiệm mới khoa học, hiệu quả hơn mô

hình thí nghiệm truyền thống.
10
CHƯƠNG 1: CỞ SỞ LÝ THUYẾT
1.1. Cơ sở lý thuyết tính toán giá trị lưu lượng
1.2. Cở sở lý thuyết trạng thái chảy của lưu chất
1.2.1. Khi tăng dần lưu lượng từ giá trị bằng không
Ở giá trị lưu lượng nhỏ, tia màu dạng đường thẳng, dọc theo đường tâm ống,
không dao động, các phần tử màu không hòa trộn với các phần tử nước xung quanh nó.
Điều đó chứng tỏ rằng các phần tử lưu chất chuyển động theo tầng lớp, không bị xáo
trộn. Trạng thái này được gọi là trạng thái chảy tầng.
11
Khi lưu lượng lớn đến một mức nào đó, tia màu bắt đầu dao động (gợn sóng) –
dòng chảy đã hết trạng thái chảy tầng.
Nếu tiếp tục tăng lưu lượng, tia màu sẽ dao động mạnh hơn, tiếp tục đứt đoạn và
sau đó bị hòa trộn hoàn toàn vào dòng chảy. Dòng chảy lúc này trở nên hoàn toàn rối. Từ
khi hết trạng thái chảy tầng đến lúc chảy rối, dòng chảy đã trải qua trạng thái chảy quá độ
từ tầng sang rối.
1.2.2. Khi dòng chảy đang ở trạng thái rối hoàn toàn
Nếu giảm dần lưu lượng thì tới mức nào đó, các phần tử màu lại trở lại ở mức gợn
sóng.
Nếu tiếp tục giảm lưu lượng thì trạng thái chảy tầng của lưu chất lại được thiết lập,
khi đó: tia màu lại đi thẳng theo đường tâm ống. Dòng chảy đã chuyển từ trạng thái chảy
rối sang trạng thái chảy tầng sau một giai đoạn chảy quá độ từ rối sang tầng.
1.3. Cơ sở lý thuyết tính toán hệ số Reynolds
1.3.1. Số Reynolds – Re.
Trong quá trình nghiên cứu thực nghiệm Reynolds đã tìm ra được tổ hợp 3 đại
lượng (vận tốc v, độ nhớt Ʋ và đường kính ống d) là một số không thứ nguyên mang tên
là Reynolds – Re.
Đối với dòng chảy trong ống tròn, trị số Re được xác định như sau:
Trong đó:

: Vận tốc trung bình của lưu chất trong ống, m/s.
D: đường kính ống, m.
: độ nhớt động học của lưu chất, m
2
/s.
Về ý nghĩa vật lý, Re là tỷ số giữa lực quán tính và lực ma sát nhớt. Việc tăng dần
lưu lượng cũng chính là tăng dần trị số Re. Nếu trị số Re nhỏ chứng tỏ rằng lực ma sát
nhớt chiếm ưu thế, vì vậy mọi kích động đối với dòng chảy sẽ dễ dàng bị lực ma sát nhớt
dập tắt, lúc đó có dòng chảy tầng. Khi Re tăng dần, lực quán tính dần dần chiếm ưu thế,
do vậy lực ma sát nhớt không còn đủ sức để dập tắt các kích động, khi đó dòng chảy dễ
dàng chuyển sang chảy rối.
12
Thí nghiệm Reynolds đã cho thấy rằng trị số Re tương ứng với trường hợp dòng
chảy vừa vượt qua trạng thái chảy tầng (chuyển từ tầng sang rối), gọi là Re tới hạn trên,
ký hiệu Re
c1
có thể đạt trị số lớn nhất, tới 10
5
, còn trị số Re ứng với trường hợp dòng chảy
thiết lập lại được trạng thái chảy tầng (chuyển từ rối sang tầng), gọi là Re tới hạn dưới, ký
hiệu Re
c2
thường nhỏ hơn nhiều, theo Reynolds thì Re
c2
gần bằng 2300.
Trong thực tế, khi phân định trạng thái chảy của lưu chất, để đảm bảo chắc chắn là
dòng chảy tầng thì người ta đã dùng Re
gh
= 2300 làm tiêu chuẩn để phân định, khi đó:
− Với dòng chảy có Re > 2300 gọi là dòng chảy rối.

− Với dòng chảy có Re < 2300 gọi là dòng chảy tầng.
1.3.2. Vận tốc phân giới
Vận tốc chuyển từ trạng thái chảy tầng sang chảy rối là vận tốc phân giới trên
(V
pgt
) tương ứng có số Reynolds phân giới trên (Re
pgt
).
Vận tốc chuyển từ trạng thái chảy rối sang chảy tầng là vận tốc phân giới dưới
(V
pgd
) tương ứng có số Reynolds phân giới dưới (Re
pgd
).
Khi dòng chảy có:
− Re < Re
pgd
thì trạng thái đó là chảy tầng.
− Re > Re
pgt
thì trạng thái đó là chảy rối.
− Re
pgd
< Re < Re
pgt
: thì trạng thái của nó có thể chảy tầng hoặc chảy rối, nhưng
thường là chảy rối, vì ứng với giai đoạn trung gian này trạng thái chảy tầng rất
không ổn định.
1.4. Các mô hình chế
tạo tham khảo

1.4.1. Mô hình thí
nghiệm Reynolds
của Trường Đại
học Nông nghiệp
Hà Nội
13
Hình 1.1. Mô hình thí nghiệm Reynolds của Trường Đại học Nông nghiệp Hà Nội.
1.4.2. Mô hình thí nghiệm Reynolds Trường Đại Học Mỏ Địa Chất Bà Rịa Vũng
Tàu.
Hình 1.2. Mô hình thí nghiệm Reynolds của Trường Đại Học
Mỏ Địa chất Bà Rịa Vũng Tàu.
CHƯƠNG 2: CHẾ TẠO MÔ HÌNH
2.1. Tiêu chí chế tạo
2.1.1. Tiêu
chí về kỹ
thuật
Thiết
kế dựa trên
giáo trình thí nghiệm cơ lưu
chất của trường Đại Học Bách
Khoa thành phố Hồ Chí Minh kết
hợp với quá trình tham khảo một số mô
hình của các trường đại học khác và những kiến thức đã học trong môn học Các
quá trình thiết bị và cơ học trong Kỹ thuật môi trường.
14
2.1.2. Tiêu chí về thẩm mỹ
Việc thiết kế mô hình bên cạnh việc quan tâm đến chất lượng mô hình thì thẫm mỹ
cũng là một yếu tố cần chú trọng đến.
Mô hình thiết kế sử dụng chất lượng chủ yếu là inox và nhựa. Bề mặt mô hình
được phủ lớp inox chống rỉ.

Kích thước mô hình chế tạo gọn, có thể đặt trong phòng thí nghiệm mà không ảnh
hưởng đến quá trình nghiên cứu và học tập.
Đường ống bố trí gọn gàng, mach điện bố trí âm, an toàn trong quá trình sử dụng.
2.1.3. Tiêu chí về kinh tế
Chi phí chế tạo mô hình phù hợp với một đồ án của sinh viên.
2.1.4. Một số tiêu chí khác
− Về mặt cơ học: Do mô hình gồm những thiết bị có kết cấu nhẹ nên hầu như
không có va chạm nào xảy ra nên an toàn tuyệt đối.
− An toàn về điện: Các thiết bị máy mọc dùng nguồn điện 220V. Hệ thống đường
dây điện được bảo vệ trong ống nhựa. Các mối nối trong tủ điện được siết cẩn thận
và kiểm tra chắc chắn đảm bảo không có chỗ hở, an toàn tuyệt đối. Tuy nhiên cần
phải đảm bảo thực hiện các quy tắc an toàn để tránh đổ nước vào máy móc gây hư
hỏng và rò rỉ điện gây nguy hiểm đến tính mạng.
− Độ bền: Mô hình hoạt động tốt trong quá trình thí nghiệm, hạn chế hư hỏng, rò rỉ
nước và các sự cố khác.
2.2. Thông số kỹ thuật thiết kế
2.2.1. Bình cấp nước cho ống nghiệm
2.2.1.1. Mục đích.
− Chứa nước và cung cấp nước vào trong ống quan sát trạng thái chảy.
15
Hình 2.1. Bình cấp nước cho ống nghiệm
2.2.1.2. Thông số kỹ thuật
− Thông số kỹ thuật của bình cấp nước cho ống nghiệm được thể hiện ở bảng 2.1.
Bảng 2.1. Thông số kỹ thuật của bình cấp nước cho ống nghiệm.
STT Thông số Đơn vị Giá trị
1 Thể tích m
3
0.096
2 Chiều cao m 0.4
3 Chiều dài m 0.6

4 Chiều rộng m 0.4
5 Vật liệu - Nhựa Meca
2.2.2. Bình chứa nước
2.2.2.1. Mục đích.
− Chứa nước và cấp
nước vào bình
chứa nước cấp cho
ống nghiệm.
16
Hình 2.2. Bể chứa nước
2.2.2.2. Thông số kỹ thuật
Thông số kỹ thuật của bình chứa nước được thể hiện ở bảng 2.2.
Bảng 2.2. Thông số kỹ thuật của bể chứa nước.
STT Thông số Đơn vị Giá trị
1 Thể tích lít 45
2 Vật liệu - Nhựa dẻo
2.2.3. Bình chứa nước màu
2.2.3.1. Mục đích.
− Chứa nước màu để cấp nước màu
cho ống thủy tinh chứa dòng
nước màu.
17
Hình 2.3. Bình chứa nước màu
2.2.3.2. Thông số kỹ thuật.
− Thông số kỹ thuật của bể chứa nước màu được thể hiện ở bảng 2.3.
Bảng 2.3. Thông số kỹ thuật bể chứa nước màu.
STT Thông số Đơn vị Giá trị
1 Thể tích ml 25
2 Vật liệu - Thủy tinh
2.2.4. Ống chứa nước màu

2.2.4.1. Mục đích
− Chứa nước màu chảy vào ống quan
sát.
18
Hình 2.4. Ống chứa nước màu.
2.2.4.2. Thông số kỹ thuật
− Thông số kỹ thuật ống chứa nước màu được thể hiện trong bảng 2.4.
Bảng 2.4. Thông số kỹ thuật ống chứa nước màu.
STT Thông số Đơn vị Giá trị
1 Đường kính mm
2 Chiều dài m 0,4
3 Vật liệu - Thủy tinh
2.2.5. Ống quan sát
2.2.5.1. Mục đích.
− Khảo sát trạng thái chảy của dòng nước qua 2 thí nghiệm chảy rối và chảy tầng.
19
Hình 2.5. Ống quan sát.
2.2.5.2. Thông số kỹ thuật
− Thông số kỹ thuật ống quan sát được thể hiện trong bảng 2.5.
Bảng 2.5. Thông số kỹ thuật ống quan sát.
STT Thông số Đơn vị Giá trị
1 Đường kính mm 14
2 Chiều dài m 1
3 Vật liệu - Thủy tinh
20
Ống quan sát
2.2.6. Thông số kỹ thuật các thiết bị phụ
2.2.6.1. Máy bơm
− Mục đích
Bơm nước từ bên ngoài vào bể chứa nước để tiến hành thí nghiệm.

Hình 2.6. Máy bơm
− Thông số kỹ thuật
Thông số kỹ thuật của máy bơm được thể hiện trong bảng 2.6.
Bảng 2.6. Thông số kỹ thuật của máy bơm
Thông số Số lượng Xuất xứ Đặc tính kỹ thuật
Bơm 1 Trung Quốc
220V – 240V
50Hz, 50W
21
2.2.6.2. Máng răng cưa
− Mục đích.
Hình 2.7. Máng răng cưa
− Thông số kỹ thuật
Thông số kỹ thuật của máng răng cưa được thể hiện trong bảng 2.7.
Bảng 2.7. Thông số kỹ thuật của máng răng cưa.
STT Thông số Đơn vị Giá trị
1 Chiều dài m 0.4
2 Chiều cao m 0.3
3 Chiều cao răng cưa m 0.03
4 Vật liệu - Thép
22
2.3. Vận hành mô hình thiết bị
2.3.1. Sơ đồ thiết bị Reynolds
− Sơ đồ thiết bị theo lý thuyết
Hình 2.8. Mô hình Reynolds lý thuyết
Bình chứa nước (1), van cấp nước (2), ống cấp nước (3), bình chứa nước màu(5), ống cấp
nước màu (6), bờ tràn (7), bình cấp nước cho ống nghiệm (8), ống xả nước dư (9), các
viên giữ ổn định dòng nước trong bình (10), khung đỡ (11), ống xả ở đáy (12), ống quan
sát trạng thái chảy (13), van điều chỉnh lưu lượng nước chảy ra (14).
23

− Sơ đồ thiết bị Renoulds thực tế
Hình 2.9. Mô hình Reynolds thực tế
2.3.2. Dụng cụ thí nghiệm
2.3.2.1. Nhiệt kế điện tử
− Mục đích: Đo nhiệt độ nước cho từng trạng thái chảy.
− Hình ảnh.
Hình 2.10. Nhiệt kế điện tử.
2.3.2.2. Đồng hồ bấm giây (thì kế).
− Mục đích: Canh thời gian cho mỗi trạng thái chảy của thí nghiệm.
− Hình ảnh.
Hình 2.11. Đồng hồ bấm giây (thì kế).
2.3.2.3. Ống đong 1 lít.
− Mục đích: Xác định lưu lượng nước chảy ra theo mỗi trạng thái chảy của thí
nghiệm.
Hình 2.12. Ống đong.
2.3.3. Tiến trình thí nghiệm vận hành mô hình
Mở van (2) lớn nhất để cho lưu chất qua ống (3) vào bình (8). Trong quá trình thí
nghiệm, lưu lượng lưu chất chảy qua ống quan sát được điều chỉnh nhờ van (14), gờ tràn