آزمایش رینولدز

Reynolds

هدف آزمایش

آزمایش رینولدز یکی از آزمایش های هیدرولیک می باشد. هدف از انجام این آزمایش بررسی نوع حرکت سیال و تعیین محدوده هر یک از نواحی حرکت سیال است.

تئوری آزمایش

یکی از انواع تقسیم بندی جریان، حرکت لایه ها می باشد که بر اساس سه نوع جریان، قابل تفکیک است:

  • جریان آرام (Laminar)
  • جریان انتقالی (Transition)
  • جریان آشفته (Turbulent)

در جریان آرام حرکت سیال در حرکت لایه ها خلاصه می شود. در این جریان هر لایه به نرمی روی لایه مجاور خود می لغزد. مبادله ممنتوم در سطوح لایه های مختلف توسط مولکول ها صورت می گیرد. در جریان آشفته حرکات بسیار نامنظم ذرات با تبادل شدید مومنتوم در جهت عمود برحرکت مشاهده می شود.در این جریان کار انتقال ممنتوم از لایه ای به لایه دیگر توسط توده ذرات صورت می گیرد و در واقع حرکت ذرات به حرکت مولکول ها اضافه می شود. حالت گذرا مرز بین این دو حالت است .

دستگاه طوری ساخته شده است که توسط آن می توان جریان مایع را دریک لوله بطورکامل مشاهده کرد و محاسبات لازم نوع جریان را تعیین نمود .

تشخیص ماهیت جریان اولین بار توسط رینولدز انجام گرفت. او عددی به همین نام را برای تفکیک جریان ها از یکدیگر تعریف نمود. عدد رینولدز بنا به تعریف حاصل تقسیم دو نیرو است، نیروی اینرسی و نیروی لزجت.

فرمول رینولدزتعریف ρ: دانسیته سیال (کیلوگرم بر مترمکعب)

تعریف μ: ویسکوزیته

تعریف V: سرعت متوسط سیال

تعریف L: طول مشخصه

بنابراین باید انتظار داشته باشیم وقتی نیروهای اینرسی بیشتر شود، تلاطم و بی نظمی در جریان بیشتر شده، جریان به سمت حالت آشفته پیش رود.

 عدد رینولدز در یک لوله با قطر D که سیالی باسرعت متوسط V و ویسکوزیته دینامیکی μ و دانسیته ρ در آن جریان دارد، عبارتست از :

فرمول عدد رینولدز فرمول محاسبه رینولدزتعریف ʋ: ویسکوزیته سینماتیکی

تعریف μ: ویسکوزیته دینامیکی

اپ آزمایشگاه مهندسپارامتر تعیین کننده در نوع رژیم جریان، محدوده عدد رینولدز است که به شکل مجرای عبور جریان بستگی دارد. به عنوان مثال محدوده جریان آرام

  • داخل لوله:    Re< 2100
  • جریان بین دو صفحه:   Re < 1000
  • جریان در کانال باز:     Re < 500

شرح دستگاه

دستگاه مطابق شکل از بخش های زیر تشکیل شده است

شکل دستگاه رینولدز

دستگاه آزمایش از یک مخزن استوانه ای شیشه ای تشکیل شده است. آب از طریق لوله ای که به پایین مخزن متصل است وارد آن می شود و پس از ورود به بستری از گلوله برخورد کرده، سرعت آن یک نواخت می شود. یک لوله سرریز، سطح آب استوانه ای را ثابت نگاه می دارد. لوله خروجی در مرکز مخزن و زیر آن قرار دارد و با کاهش تدریجی مقطع در ورودی، امکان عبور سیال، هرچه آرام تر میسر می شود. لوله ای که به مخزن کوچک جوهر متصل است از بالا وارد مخزن می شود. با تنظیم شیر کنترل دبی می توان در انتهای لوله خروجی سرعت سیال را تغییر داد و رفتار ماده جوهر را همراه با جریان سیال در سرعت های مختلف بررسی کرد.

توسط این دستگاه می توان مایع رنگی راتوسط یک سوزن در یک لوله شیشه ای هدایت کرد و به وسیله شیر میزان دبی را تغییر داد .

گلوله های آرام کننده جهت جلوگیری از اغتشاش آب ورودی به مخزن می باشند و قیف نیز آرام کننده جریان ورودی به شیشه است .

روش انجام آزمایش

۱- آب ورودی به سیستم را باز نمائید تا برگشت از سرریز آغاز گردد (دقت کنید که شیر پایین دستگاه بسته باشد).

۲- شیر پایین دستگاه را کمی باز کنید.

۳- از وجود رنگ دانه (جوهر) در مخزن آن مطمئن شوید.

۴- توسط تغییر دبی با شیر پایینی جریان جوهر را به صورت متمایز از آب در آورید. (به صورت ریسمانی در آب)

۵- توسط بشر و کرنومتر دبی آب را اندازه گیری کنید.

۶- در نقطه ای که جریان از حالت آرام به وضعیت انتقالی می رسد و همچنین در نقطه ای که از حالت انتقالی به حالت آشفته می رسد، دبی جریان را به دست آورید.

۷- اعمال فوق را این بار از حالت آشفته به انتقالی و آرام تکرار کنید و دبی جریان را به دست آورید.

۸- یک قطره جوهر داخل ستون آب بیاندازید و به آرامی آن را پراکنده کنید. سپس شیر خروجی را به آرامی اندکی باز کنید و شکل توزیع سرعت (Velocity Distribution) را در مقطع لوله مشاهده کنید.

۹- دمای آب مخزن را اندازه گیری کنید.

محاسبات

دراین آزمایش قطر لوله آزمایش D = 13 میلی متر می باشد .همچنین داریم

 Q=V*Aدبی حجمی جریان. A سطح مقطع لوله است.بنابراین هرگاه توسط یک کرنومتر و یک بشر دبی جریان راتعیین کنیم، خواهیم داشت:

فرمول دبیمی توان توسط رابطه فوق سرعت جریان سیال V بر حسب متر بر ثانیه را تعیین نمود .

درجدول خواص فیزیکی آب موجود درگزارش کارخود می توان مقادیر (ویسکوزیته سینماتیک ) را در دماهای گوناگون آب یافت با جایگزینی D , V در رابطه رینولدز می توان مقدار Re رامحاسبه نمود .

نتایج و محاسبات:

  1. محاسبه عدد رینولدز درهر حالت وثبت مشاهدات
  2. انجام آزمایش در دمای متفاوت ( درصورت امکان )
  3. رینولدز و رینولدز بحرانی را تعریف کنید و مقادیر رینولدز بحرانی را به دست آورید.
  4. چرا رینولدز بحرانی در بخش چهارم و پنجم انجام آزمایش متفاوت است؟
  5. معادله توزیع سرعت جریان آرام را در یک لوله از راه تئوری به دست آورید.
  6. توزیع سرعت را در جریان آرام و درهم با هم مقایسه کنید.
  7. درارتباط با خطاهای آزمایش بحث کنید .