KHẢO sát THỰC NGHIỆM PHƯƠNG PHÁP đo PROFIN vận tốc DÒNG CHẤT LỎNG BẰNG XUNG SIÊU âm

HỘI NGHỊ KHCN TOÀN QUỐC VỀ CƠ KHÍ - ĐỘNG LỰC NĂM 2017
Ngày 14 tháng 10 năm 2017 tại Trường ĐH Bách Khoa – ĐHQG TP HCM

KHẢO SÁT THỰC NGHIỆM PHƯƠNG PHÁP ĐO PROFIN VẬN TỐC
DÒNG CHẤT LỎNG BẰNG XUNG SIÊU ÂM
Nguyễn Anh Tuấn, Nguyễn Ngọc Minh, Nguyễn Văn Lập, Nguyễn Văn Kựu
Khoa Cơ khí, Trường Đại học Thủy Lợi, 175 Tây Sơn – Đống Đa – Hà Nội

TÓM TẮT:
Phương pháp đo profin vận tốc dòng chất lỏng
bằng xung siêu âm (phương pháp UVP) đã được
thí nghiệm trong đường ống dài L = 4 m, đường
kính trong D = 40 mm, chiều dày ống
δ = 4 mm. Vật liệu làm ống là nhựa Acrylic. Chất
lỏng dùng cho thí nghiệm là nước sạch. Trong
vùng bán kính r = 15 mm tính từ tâm ống, kết quả

đo profin vận tốc dòng trong ống cho thấy phù
hợp với lý thuyết động lực học chất lưu. Tuy nhiên
phương pháp UVP không phù hợp để đo profin
vận tốc ở khu vực sát thành ống. Điều này cũng
phù hợp với các kết quả của một số nhà nghiên
cứu.

Từ khóa: phương pháp UVP, dòng chất lỏng
1. GIỚI THIỆU CHUNG
Nhiều thập kỷ qua, việc đo dòng chảy là vấn đề
luôn được quan tâm không chỉ trong kỹ thuật chất
lỏng mà cả trong trong các lĩnh vực công nghiệp.
Các tính chất của chất lỏng thường có sự khác
nhau rất lớn giữa các lĩnh vực công nghiệp khác

nhau. Các chất lỏng có thể có các tính chất như
ăn mòn, mài mòn, cháy, nổ, hay độc hại. Nó có
thể là chất lỏng một pha (khí sạch hoặc nước
sạch), hoặc chất lỏng nhiều pha (dung dịch bùn
hoặc khí có lẫn bụi). Các đường ống dùng để vận
chuyển chất lỏng có đường kính từ 1 mm đến vài
mét. Nhiệt độ chất lỏng có thể thay đổi từ không
độ đến hàng trăm 0C, áp suất có thể thay đổi từ
chân không đến hàng trăm bar.
Do có sự khác nhau rất lớn giữa các tính chất
của chất lỏng, ứng dụng của dòng trong các lĩnh
vực công nghiệp khác nhau, các kỹ thuật đo dòng
khác nhau đã được phát triển để phù hợp với
từng điều kiện dòng riêng biệt. Dù rất nhiều kỹ
thuật đo dòng đã được đề xuất trong thời gian
qua, nhưng chỉ có một số kỹ thuật đo dòng chảy
có thể có áp dụng cho nhiều điều kiện đo dòng
khác nhau. Chưa có kỹ thuật đo dòng chảy nào
có thể áp dụng cho tất cả các điều kiện đo dòng
chảy.
Việc đo dòng chảy của các chất lỏng đục
dường như rất khó khăn. Các kỹ thuật đo dòng
bằng các phương tiện quang học chụp hình ảnh
cũng gần như không thực hiện được vì tính đục

của dung dịch gây mù các thiết bị quang học. Các
phương pháp đo dòng khác như đo bằng áp suất
hay mô-men không thể cho kết quả trường không
gian vận tốc tức thời. Với nhiều loại dung dịch có
ứng xử phi Niu-tơn và độ nhớt cao thì khi cho đầu

đo trực tiếp xâm nhập vào dung dịch sẽ làm thay
đổi trường dòng ảnh hưởng đến kết quả đo. Bằng
việc sử dụng phương pháp đo profin vận tốc dòng
bằng xung siêu âm (Ultrasonic Velocity Profile UVP), có thể thực hiện việc đo dòng chảy với các
loại dung dịch đục, chất lỏng nhớt phi Niu-tơn
được gặp rất nhiều trong kỹ thuật. Ngoài ra,
phương pháp UVP cũng cho phép đo được
trường dòng chảy tức thời theo không gian và
thời gian. Do đó có thể sơ đồ hóa được toàn bộ
trường dòng.
Đo profin vận tốc tức thời trong các dòng chảy
rối là rất quan trọng trong động lực học chất lỏng
và các lĩnh vực kỹ thuật liên quan khác. Tuy
nhiên, những khó khăn trong việc sử dụng
phương pháp để có được kết quả đo chính xác
trong các lĩnh vực kỹ thuật khác nhau là vấn đề
cần được tiếp tục xem xét nghiên cứu. Trong
nghiên cứu này, việc đo profin vận tốc dòng chảy
dòng chất lỏng trong ống mặt cắt tròn sử dụng
phương pháp đo không xâm nhập bằng xung siêu
âm (phương pháp UVP) đã được làm thực
nghiệm. Kết quả đo được so sánh, phân tích và

Trang 335


HỘI NGHỊ KHCN TOÀN QUỐC VỀ CƠ KHÍ - ĐỘNG LỰC NĂM 2017
Ngày 14 tháng 10 năm 2017 tại Trường ĐH Bách Khoa – ĐHQG TP HCM

thảo luận với các lý thuyết cơ bản, các kết quả

của các nghiên cứu trước đây.

2. NGUYÊN LÝ CỦA PHƯƠNG PHÁP UVP
Phương pháp đo profin vận tốc bằng sóng siêu
âm UVP được phát triển bởi Takeda et al. 1995
[1], [2] cho phép thu được profin vận tốc tức thời
dọc theo chùm xung siêu âm truyền vào dòng
chảy (Hình 1). Phương pháp này được dựa trên
nguyên lý phản xạ sóng âm của các hạt di chuyển
cùng với dòng chảy của chất lỏng. Các vị trí và
vận tốc của các hạt có thể được rút ra từ độ trễ
thời gian giữa các tín hiệu của sóng phát xạ và
sóng phản xạ và sự thay đổi tần số do hiệu ứng

Doppler. Để thu được profin vận tốc, chùm xung
siêu âm được truyền vào dòng chất lỏng nhờ một
đầu rò hoạt động như là một bộ nhận xung siêu
âm phản xạ từ các hạt di chuyển trong dòng chảy.
Sự phát và truyền xung siêu âm tuân theo các
định lý truyền sóng. Sự phản xạ, nhiễu xạ, biến
đổi của xung siêu âm xuất hiện tại ranh giới giữa
hai vật liệu. Để tránh các ảnh hưởng này, góc tới
của xung siêu âm thường được đặt lớn hơn góc
tới hạn của sóng dọc.

Hình 1. Nguyên lý phương pháp UVP

3. THIẾT LẬP MẠCH THÍ NGHIỆM
Thí nghiệm được thực hiện với nước máy lấy

từ vòi cấp của nhà máy nước trong thành phố.
Nhiệt độ của nước được duy trì ở nhiệt độ 250C.
Đường ống thí nghiệm có chiều dài L = 4 m,
đường kính trong D = 40 mm, chiều dày thành
ống δ = 4 mm. Đo profin vận tốc được thực hiện
tại vị trí cách lối vào 1 m. Để luân chuyển dòng
chất lỏng trong đường ống, chúng tôi sử dụng
một bơm chìm công suất N = 0,75 kW, lưu lượng
3
lớn nhất Q = 0,22 m /phút, cột áp lớn nhất H =
7,5 m (Hình 2).
Thiết bị đo profin vận tốc bằng siêu âm là loại
FSDP-1 được sản xuất bởi công ty Fuji (Nhật

Trang 336

Bản) với hai đầu dò siêu âm 8 MHz. Đầu dò được
0
đặt tạo với hướng dòng một góc 45 . Với mỗi đầu
dò, các vận tốc được đo ở 126 điểm cho độ sâu
57 mm, độ phân dải là 0,45 mm theo hướng
truyền của xung siêu âm. Thời gian giữa hai xung
liên tiếp 128µs. Profin vận tốc trung bình được
xác định từ 1000 profin vận tốc tức thời trong
quãng thời gian 20s. Mức thời gian này đủ dài so
với tỷ lệ thời gian đặc trưng rối của dòng. Hạt
dùng để bắt xung siêu âm được cho vào dung
dịch thí nghiệm là Diaion của Mitsubishi Chemical
(Nhật Bản).

HỘI NGHỊ KHCN TOÀN QUỐC VỀ CƠ KHÍ - ĐỘNG LỰC NĂM 2017
Ngày 14 tháng 10 năm 2017 tại Trường ĐH Bách Khoa – ĐHQG TP HCM

Hình 2. Sơ đồ mạch thí nghiệm

4. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN
4.1. Profin vận tốc
Profin vận tốc dòng trung bình trong ống có
đường kính trong 40 mm với số Reynolds
Re = 60000 được biểu diễn trong Hình 3. Biểu đồ
cho thấy profin vận tốc trung bình của dòng trong
ống có đặc trưng rối đã phát triển đầy đủ, phân bố
dạng hình parabol. Vận tốc lớn nhất tại tâm ống,
giảm dần sang hai bên thành ống. Tuy nhiên từ
thành ống đến vị trí cách thành ống khoảng 4
mm, vận tốc dòng trung bình (Vaver) khá lớn
(Vaver=1,25m/s). Điều này không phù hợp với lý
thuyết vì vận tốc sẽ thấp tại khu vực gần thành
ống và vận tốc bằng không tại thành ống [3]. Các
nghiên cứu đều báo cáo phương pháp UVP
không thể đo khu khu vực gần thành ống. Để làm
rõ nhận xét này, chúng tôi vẽ đồ thị profin vận tốc
dạng logarit u  , y  như Hình 4. Trong khu vực





Hình 3. Profin vận tốc dòng trong ống





phân bố rối y   100 xa thành ống, kết quả đo
phù hợp với phương trình lý thuyết
u   5, 75ln y   5,5 được đề xuất bởi Schlichting,
1960 [3]. Trong khu vực dòng nhớt y   10 và
khu vực dòng chuyển tiếp 10  y   100 sát gần
thành ống, kết quả không phù hợp với lý thuyết
dòng lớp biên [3].









4.2. Cường độ rối
Như thảo luận ở phần 4.1, phương pháp đo
UVP không thể đo được ở khu vực gần thành
ống, nên ở đây chúng tôi chỉ mô tả cường độ rối
từ vị trí cách thành ống khoảng cách y/R =0,2.
Trên đồ thị Hình 5 ta thấy, cường độ rối tăng dần
từ khu vực gần thành tường đến khu vực tâm
ống. Tại khu vực tâm ống, cường độ rối đạt
0,022.

Hình 4. Đồ thị profin vận tốc dạng Logarit

Trang 337


HỘI NGHỊ KHCN TOÀN QUỐC VỀ CƠ KHÍ - ĐỘNG LỰC NĂM 2017
Ngày 14 tháng 10 năm 2017 tại Trường ĐH Bách Khoa – ĐHQG TP HCM

0.05

Re = 60000

Cường độ rối

0.04
0.03
0.02
0.01
0
0.2

0.4

0.6
y/R

0.8

1

Hình 5. Cường độ rối dòng trong ống

5. KẾT LUẬN
Profin vận tốc dòng trong ống mặt cắt tròn đã
được khảo sát thực nghiệm bằng xung siêu âm
(phương pháp UVP). Đây là một phương pháp đo
dòng tiên tiến không xâm nhập trực tiếp vào chất
lỏng, không phá hủy cấu trúc thành ống. Phương
pháp UVP có thể cho phép đo các profin vận tốc
tức thời của dòng trong ống. Nó phù hợp với các
loại chất lỏng đục, chất lỏng phi Niu-tơn. Kết quả

thí nghiệm cho thấy phương pháp này cho kết
quả đo profin vận tốc phù hợp tốt với lý thuyết
động lực học chất lỏng dòng trong các đường
ống, Tuy nhiên, kết quả đo cũng cho thấy phương
pháp UVP không thích hợp để đo profin vận tốc
tại khu vực sát gần thành ống. Kết quả này cũng
phù hợp với các nghiên cứu của các tác giả khác.

REFERENCES
[1]

Y. Takeda, “Ultrasonic Doppler Method for
velocity profile measurement in Fluid
Dynamics and Fluid Engineering”, no. 1, pp.
1–8, 1998.

[2]

Y.

Takeda,

“Velocity

Profile

Measurement
by
Ultrasonic
Doppler
Method”, Exp. Therm. Fluid Sci., vol. 1777,
no. 94, pp. 444–453, 1995.
[3]

H. Schlichting, “Boundary layer theory,”
1960.

EXPERIMENTAL INVESTIGATING AN ULTRASONIC VELOCITY
PROFILE METHOD OF PIPE FLOW
Nguyen Anh Tuan, Nguyen Ngoc Minh, Nguyen Van lap, Nguen Van Kuu
Department of Mechanical Engineering, Thuy Loi University, 175 Tay Son, Dong Da, Hanoi
ABSTRACT:
The untrasonic velocity profile method (UVP
method) were performed in a circular arcrylic pipe
line with 4m in length, 40mm in diameter and
4mm in thickness. The clean tap water was used
for the experiment. In region with the radius of

15mm from the pipe center, the experimental
Keywords: UVP method, pipe flow

Trang 338

results was well agreed with that to be showed in
the therory of fluid dynamics. However, the UVP
method is not appropriate to measure in region
near pipe wall. This is also as same as that of
some researchers.