Cơ học chất lỏng và ứng dụng đo vận tốc bằng ống pitot

14 Nhà sản xuất cung cấp dữ liệu vận tốc không khí theo độ chênh lệch cột nước Hình 9: Đồ thị biểu diễn vận tốc đo áp kế theo độ chênh lệch áp suất theo nhà sản suất... Bảng 3: Đối chiếu

ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

BÁO CÁO THÍ NGHIỆM

5 BÁO CÁO KẾT QUẢ THÍ NGHIỆM 30

BẢNG SỐ LIỆU ĐO TỪ THỰC NGHIỆM CÓ CHỮ KÝ CỦA GVHD 33

2

HÌNH ẢNH

Hình 1: Ống khí động hở tại PTN KTHK tại 101C 5

Hình 2: Bố trí ống pitot trong ống khí động 6

Hình 3: Các loại cảm biến đo áp suất Freescale 7

Hình 4: Cảm biến áp suất FreeScale MPXV5004DP 7

Hình 5: Biểu đồ đặc tính của cảm biến áp suất 8

Hình 6: Mô hình đo vận tốc bằng ống pitot 8

Hình 7: Đồ thị biểu diễn vận tốc đo từ áp kế theo độ chênh lệch áp suất 12

Hình 8: Đồ thị biểu diễn vận tốc đo từ áp kế theo tần số 13

Hình 9: Đồ thị biểu diễn vận tốc đo áp kế theo độ chênh lệch áp suất theo nhà sản suất 14

Hình 10: Đồ thị biểu diễn vận tốc đo từ áp kế theo chênh lệch áp suất giữa thực nghiệm và nhà sản suất 16

Hình 11: Đồ thị biểu diễn vận tốc đo từ áp kế theo tần số giữa thực nghiệm và nhà sản suất 17

Hình 12: Đồ thị biểu diễn vận tốc đo từ cảm biến theo độ chênh lệch áp suất 19

Hình 13: Đồ thị biểu diễn vận tốc đo từ cảm biến theo tần số 19

Hình 14: Đồ thị biểu diễn vận tốc đo từ cảm biến theo tần số của nhà sản suất 20

Hình 15: Đồ thị biểu diễn vận tốc đo từ cảm biến theo độ chênh lệch áp suất giữa thực nghiệm và nhà sản suất 22

Hình 16: Đồ thị biểu diễn vận tốc đo từ cảm biến theo tần số giữa thực nghiệm và nhà sản suất 23

Hình 17: Đồ thị biểu diễn vận tốc theo tần số bằng phương pháp đo từ áp kế và từ cảm biến 25

Hình 18: Dụng cụ thí nghiệm đo áp lực thủy tĩnh tác dụng lên bề mặt thành phẳng tại phòng thí nghiệm Bộ môn Kỹ thuật Tàu thủy Khoa Kỹ thuật Giao thông 26

Hình 19: Sơ đồ của bề mặt phẳng chìm một phần trong nước 28

Hình 20: Sơ đồ của bề mặt phẳng chìm hoàn toàn trong nước 29

Hình 21: Đồ thị biểu diễn sự phụ thuộc độ cao từ tâm pivot đến tâm đặt lực thủy tĩnh ở trường hợp chìm 1 phần theo thực nghiệm và lý thuyết 32

3

Hình 22: Đồ thị biểu diễn sự phụ thuộc độ cao từ tâm pivot đến tâm đặt lực thủy tĩnh ở trường hợp chìm toàn phần theo thực nghiệm và lý thuyết 32

4

BẢNG

Bảng 1: Số liệu đo từ áp kế cột nước 11

Bảng 2: Vận tốc trung bình từ dữ liệu nhà sản xuất 15

Bảng 3: Đối chiếu số liệu đo từ áp kế giữa thực nghiệm với thống số của nhà sản suất 16

Bảng 4: Số liệu đo bằng cảm biến 18

Bảng 5: Số liệu đo từ nhà sản suất 21

Bảng 6: Đối chiếu số liệu đo giữa 2 phương pháp và thống số nhà sản suất 24

Bảng 7: Thông số đo 31

Bảng 8: Số liệu cho 2 trường hợp: Ngập hoàn toàn và ngập một phần 31

 Sử dụng bảng đo cột áp nước, xác định chênh lệch áp suất  Sử dụng cảm biến áp suất FreeScale MPXV5004DP

Đầu ống pitot hình bán cầu, đường kính ống 8 mm, chiều dài ống pitot trong tiết diện khảo sát 450 mm (insertion length)

6

Hình 2: Bố trí ống pitot trong ống khí động

2.3 Cảm biến áp suất: loại FreeScale MPXV5004DP, đo áp suất toàn phần và

áp suất tĩnh, có thể đo vận tốc tối đa 80 m/s, kết nối với máy tính thông qua cổng USB Đây là loại cảm biến đã được hiệu chỉnh tín hiệu điện áp và áp suất với sai số là 1.5% với vận tốc nhỏ hơn 40 m/s và sai số là 2.5 % với vận tốc lớn hơn 40

m/s Sử dụng phần mềm SensorToolBox của nhà cung cấp Freescale, người sử

dụng có thể xác định được một cách nhanh chóng và chính xác vận tốc của dòng khí

8

Hình 5: Biểu đồ đặc tính của cảm biến áp suất

3 CƠ SỞ LÝ THUYẾT

Hình 6: Mô hình đo vận tốc bằng ống pitot

áp suất này thông qua áp kế sử dụng chiều cao cột chất lỏng (nước) bằng công thức:

trình (năng lượng, động lượng) cơ bản của dòng chuyển động không nén được, bỏ qua ma sát :

 Lưu ý:

+ Biểu thức trên chỉ áp dụng cho lưu chất không nén được + Nước được xem như lưu chất không nén được

+ Chất khí được xem là lưu chất không nén được nếu vận tốc chuyển động có số Mach nhỏ hơn 0.3

4 TIẾN HÀNH THÍ NGHIỆM

 Bước 1: Vận hành ống khí động (hầm gió)

 Mở công tắc nguồn chính

 Mở công tắc trên hộp điều khiển: Main Switch, inverter: ON  Điều chỉnh vận tốc nhỏ hay lớn thông qua điều chỉnh tần số

quay của quạt

 Bước 2: Lắp đặt ống pitot với bảng áp kế cột nước, phân biệt rõ cột nào tương

ứng với áp suất toàn phần và áp suất tĩnh

Chú ý: Thêm hoặc tháo bớt nước để nước nằm ở vạch 0

10

 Bước 3: Lắp đặt ống pitot với cảm biến đo áp suất Khởi động chương trình

thu nhận tín hiệu của cảm biến Freescale (SensorToolBox)

Chú ý: Phải bật công tắc trên mạch và cắm đúng 2 ống pitot vào cảm biến

(có thể kiểm tra bằng cách sử dụng 2 tần số khác nhau xem sự thay đổi của

 Bước 4: Ở mỗi vận tốc của dòng khí, cần thời gian chờ khoảng 30 s – 60 s để

dòng ổn định trước khi lấy số liệu Có thể quan sát mức độ ổn định của dòng thông qua độ dao động của cột nước của áp kế

Chú ý: File lưu nằm trong thư mục Datalog dưới dạng file Excel

 Cách thực hiện:

Tần số tối đa 40 Hz

 2 SV thực hiện lấy dữ liệu trên phần mềm SensorToolBox cho cảm biến

Freescale (Error! Reference source not found.), lưu file và xử lý số liệu

5 BÁO CÁO KẾT QUẢ THÍ NGHIỆM 5.1 Đo vận tốc từ áp kế cột nước

5.1.1 Cách thực hiện

Chú ý: Thước đo trên áp kế đã nhân đôi sẵn, do đó số đọc được trên

12

Hình 7: Đồ thị biểu diễn vận tốc đo từ áp kế theo độ chênh lệch áp suất

13

Hình 8: Đồ thị biểu diễn vận tốc đo từ áp kế theo tần số

5.1.2.Tiến hành đối chiếu thực nghiệm với dữ liệu của nhà sản xuất

14

Nhà sản xuất cung cấp dữ liệu vận tốc không khí theo độ chênh lệch cột nước

Hình 9: Đồ thị biểu diễn vận tốc đo áp kế theo độ chênh lệch áp suất theo nhà sản suất

Bảng 2: Vận tốc trung bình từ dữ liệu nhà sản xuất

Tiến hành đối chiếu với thực nghiệm:

Bảng 3: Đối chiếu số liệu đo từ áp kế giữa thực nghiệm với thống số của nhà sản suất

Hình 10: Đồ thị biểu diễn vận tốc đo từ áp kế theo chênh lệch áp suất giữa thực nghiệm và nhà sản suất

17

Hình 11: Đồ thị biểu diễn vận tốc đo từ áp kế theo tần số giữa thực nghiệm và nhà sản suất

Nhận xét:

 Từ bảng đối chiếu, ta thấy sai số lớn nhất là 6.55% và nhỏ nhất là 0.05% và sai số trung bình 2.47% <10% cho thấy kết quả của phép đo

bằng áp kế cột nước khá chính xác

 Kết quả của phép đo trên còn sai lệch đến từ nhiều nguyên nhân như nhiệt độ môi trường, khả năng đọc vạch chia của mắt người, cột nước

18

Chú ý: Do sensor có sai số, do đó ta phải đo tại tần số 0Hz để hiệu

chỉnh các giá trị sau lại (với đường 1V làm mốc)

19

Hình 12: Đồ thị biểu diễn vận tốc đo từ cảm biến theo độ chênh lệch áp suất

Hình 13: Đồ thị biểu diễn vận tốc đo từ cảm biến theo tần số

5.2.2.Tiến hành đối chiếu thực nghiệm với dữ liệu của nhà sản xuất

20

Số liệu của nhà cung cấp

Hình 14: Đồ thị biểu diễn vận tốc đo từ cảm biến theo tần số của nhà sản suất

22

Hình 15: Đồ thị biểu diễn vận tốc đo từ cảm biến theo độ chênh lệch áp suất giữa thực nghiệm và nhà sản suất

23

Hình 16: Đồ thị biểu diễn vận tốc đo từ cảm biến theo tần số giữa thực nghiệm và nhà sản suất

Nhận xét:

lên thì sai số bắt đầu giảm và dần dần ổn định ở một mức nào đó  Sai số trung bình khoảng 5.6558% <10%=>Phép đo tương đối chính

xác

 Sai số có thể do sai lệch dụng cụ thí nghiệm (cách đặt ống pitot, mạch đo áp suất, ….)

5.3 Đối chiếu hai phương pháp và thông số nhà sản xuất

So sánh kết quả đo đạc vận tốc bằng 2 phương pháp với bảng tra vận tốc – tần số của nhà sản xuất và đánh giá sai số

25

Hình 17: Đồ thị biểu diễn vận tốc theo tần số bằng phương pháp đo từ áp kế và từ cảm biến

Nhận xét:

 Từ giá trị trung bình 2 phương pháp đó, ta có thể thấy phương pháp đo bằng áp kế cho giá trị vận tốc chính xác hơn

 Có nhiều nguyên nhân đẫn đến sai số các phép đo như độ sai lệch cảm biến, sai lệch trong thiết lập thiết bị và thao tác thí nghiệm, thao tác đọc số liệu …

qua các thiết bị thí nghiệm 1 lần trước lúc thí nghiệm để làm quen với thiết

 Dụng cụ đo áp suất thuỷ tĩnh (Hydrostatic Pressure Apparatus)



Hình 18: Dụng cụ thí nghiệm đo áp lực thủy tĩnh tác dụng lên bề mặt thành phẳng tại phòng thí nghiệm Bộ môn Kỹ thuật Tàu thủy Khoa Kỹ thuật Giao thông

27

3 CƠ SỞ LÝ THUYẾT

 Lực thủy tĩnh sẽ không thay đổi theo phương ngang tại một chiều sâu (chìm) nhất định, nhưng thay đổi theo theo chiều chìm Lực thủy tĩnh này được tính như là TÍCH của khối lượng của một đơn vị thể tích với chiều chìm Tổng áp lực thủy tĩnh tác dụng lên bề mặt cắt của hình vành khăn này là không tuyến tính theo phương thẳng đứng Khi khối ¼ hình vành khăn này chìm trong nước, lực thủy tĩnh tác dụng lên bề mặt có thể được tính như sau:

 Lực thủy tĩnh tại mọi điểm trên bề mặt cong ngoài và trong theo phương pháp tuyến với bề mặt đều có thể được giải quyết vì đi qua vị trí trục pivot (tâm bán kính của hình vành khăn), do vậy các lực này đều không gây ra mô-men và không ảnh hưởng đến phương trình cân bằng lực Lực thủy tĩnh tác dụng vào hai bè mặt bên của khối ¼ hình vành khăn thì triệt tiêu nhau Vậy nên, lực thủy tĩnh tác dụng và mặt cắt hình chữ nhật chìm trong nước được tính bằng khống lượng cân bằng-W Nói cụ thể hơn, giá trị độ lớn của lực thủy tĩnh tác dụng vào bề mặt thành phẳng này có thể được tính bằng TÍCH khối lượng cân bằng-W với chiều chìm của bề mặt trong nước bởi công thức sau:

 Khi hệ đạt vị trí cân bằng, mô-men gây ra tại tâm pivot là:

 Vậy là, bằng cách tính áp lực thủy tĩnh, và chiều cao của tâm áp lực này so với bề mặt cong ngoài của khối ¼ hình vành khăn, ta có thể so sánh kết quả thực nghiệm này với giá trị tính bởi các công thức lí thuyết

28

Khi mặt phẳng chìm một phần trong nước:

trong đó,

H là khoảng cách từ tâm Pivot đến mặt ngoài của

29

Xác định tâm áp lực bằng thực nghiệm như sau:

Sử dụng phương trình cân bằng mô-men (1), ta có thể xác định được tâm áp lực h’’ như

Khi mặt phẳng chìm hoàn toàn trong nước:

Tương tự, lực thủy tính tác dụng lên bề mặt phẳng được tính:

 / 2 6  

F      g B DdD

Xác định tâm áp lực bằng thực nghiệm như sau:

Sử dụng phương trình cân bằng mô-men (1), ta có thể xác định được tâm áp lực h’’ như sau:

h''= m L /  B Dd-D/2 7

Xác định tâm áp lực tác dụng lên thành phẳng theo công thức lí thuyết như sau:

Hình 20: Sơ đồ của bề mặt phẳng chìm hoàn toàn trong nước

bằng bởi ốc vít trung tâm

cân cân bằng

điểm tựa

o Gắn một đầu ống vào khoá nước (ở đáy bình) và dẫn đầu ống còn lại vào bồn Gắn một đầu ống vào vòi V3 và đặt đầu còn lại vào khe hở tam giác trên đỉnh của bể thuỷ tinh Vị trí (độ cao) của bình, sử dụng các chân hiệu chỉnh (ốc chỉnh) phù hợp với vị trí của người đo

được thể hiện trên một cổng găn liền với cánh tay cân bằng

xuyến

tay cân bằng nằm ngang Ghi lại mực nước trên thang đo Việc điều chỉnh mực nước bằng cách đổ và tháo nước ra từ từ (sử dụng khoá nước) o Lặp lại quá trình ở bước trên cho những khối lượng khác nhau: 5 khối

lượng cho mực nước y > d (hoàn toàn nhấn chìm trong nước) và 5 khối lượng cho mực nước y < d (một phần chìm trong nước)

o Ghi lại các số liệu cho sự giảm các khối lượng trên đĩa cân bằng

5 BÁO CÁO KẾT QUẢ THÍ NGHIỆM

32

Hình 21: Đồ thị biểu diễn sự phụ thuộc độ cao từ tâm pivot đến tâm đặt lực thủy tĩnh ở trường hợp chìm 1 phần theo thực nghiệm và lý thuyết

Hình 22: Đồ thị biểu diễn sự phụ thuộc độ cao từ tâm pivot đến tâm đặt lực thủy tĩnh ở trường hợp chìm toàn phần theo thực nghiệm và lý thuyết

Nhận xét:

 Có sự tương quan giữa lý thuyết và thực nghiệm  Những nguyên nhân gây sai số:

nhiệt độ môi trường thay đổi làm khối lượng riêng của nước thay đổi

33

- Khi đổ nước vào, một phần chất lỏng bám vào góc phần tư và cánh tay đòn Khi đó, một phần chất lỏng này gây ra moment làm sai số kết quả tính toán - Mặc dù trục được sản xuất với độ chính xác cao Tuy nhiên vẫn còn lực ma

sát trục cản trở chuyển động của trục - Độ chính xác của các dụng cụ đo

- Trong quá trình đọc kết quả, do hiện tượng mao dẫn, hiện tượng khúc xạ ánh sáng và sinh viên đặt mắt ở vị trí không đúng, kết quả đọc chiều sâu của cột nước không chính xác tuyệt đối

 Theo những nguyên lý cơ bản về mặt lý thuyết đã được học và về mặt thực tiễn

đã chứng minh:

o Mực nước tăng càng cao, khoảng cách giữa phương của lực tác dụng và pivot càng ngắn lại Vì vậy, cánh tay đòn ngắn lại để chống lại moment cản trên cánh tay cân bằng Để giữ hệ cân bằng, ta phải tăng lực lên – nếu hệ ở trạng thái cân bằng mà cánh tay đòn ngắn hơn thì lực phải bổ sung

một torque – M = F.s

o Khi mực nước xuống thấp, lực tăng lên theo công thức: 𝑭 = 𝝆𝒈𝒉𝑨 để giữ mực nước

 Tóm lại:

o Mực nước càng tăng lên, phương của lực thuỷ tĩnh càng tăng o Vật thể nhấn chìm càng sâu, lực chống sinh ra lại nó càng lớn

BẢNG SỐ LIỆU ĐO TỪ THỰC NGHIỆM CÓ CHỮ KÝ CỦA GVHD TN1:

34

35

36

TN2:

37