هدف از این آزمایش تعیین افت انرژی ناشی از اجزاء یک سیستم لوله کشی (مانند زانوئی، شیر فلکه و تغییرات ناگهانی سطح مقطع لوله) و تعیین رابطه ای بین افت انرژی و سرعت می باشد. بررسی تغییرات ضریب اصطکاک با عدد رینولدز ، ضریب افت با انرژی جنبشی و تأثیر شعاع انحناء یک خم در مقدار افت انرژی محلی آن از مسائلی است که در این آزمایش مورد نظر می باشد.

تئوری آزمایش :‌

افت انرژی کلی در یک سیستم لوله کشی ناشی از دو عامل است. یک افت انرژی طولی که در اثر مقاومت نیروی چسبندگی سیال بوجود می آید(افت انرژی اصطکاکی ) و دیگری افت انرژی در اثر عواملی از قبیل زانویی، شیرها یا تغییرات سطح مسیر می باشد.

1. افت انرژی طولی :

افت انرژی طولی در لوله ای مستقیم بطول L و قطر ثابت d از رابطه (1) بدست می آید.

(-31)

که در آن f بدون بعداست.

مقدار f (ضریب اصطکاک) تابعی از عدد رینولدز جریان وزبری نسبی لوله میباشد.در لوله های نسبتاً صاف و جریانی با عددرینولدز بین تا مقدارf را میتوان ازرابطه زیر بدست آورد. (-32)

2. افت انرژی در اثر تغییر ناگهانی سطح مقطع لوله :

اگر سطح مقطع یک کانال ناگهان بزرگ شود ، خطوط جریان سیال از دیواره جدا شده و به صورت یک جت وارد بخش بزرگتر می شوند . سپس این جت منبسط شده و کل سطح مقطع مجرای بزرگتر را پر می کند. فضای بین جت منبسط شده و دیواره ی مجرا از سیالی پر می شود که حرکت گردابی دارد و مشخصه ی جدایش لایه ی مرزی است . در این حالت اصطکاک قابل ملاحظه ای در این فضا ایجاد می شود.

برای انبساط ناگهانی :

اگر افت انرژی در طول L از لوله برابر با ∆h_f باشد و از افت انرژی جنبشی در قسمت با قطر بزرگتر صرفنظر شود با نوشتن رابطه برنولی بین دو پیزومتر نشان داده شده در شکل (1) میتوان افت جزئی را از رابطه زیر بدست آورد.

(33-)

در روابط فوق u سرعت جریان درقسمت باریک تر لوله و اختلاف ارتفاع پیزومترهای ورودی و خروجی

می باشد.

در عمل افت انرژی جزئی از رابطه (3-4) بدست می آید.

(3-4)

که در آن ضریب افت انبساط نامیده می شود.

وقتی که سطح مقطع مجرا ناگهان کاهش یابد ، جریان سیال نمی تواند گوشه های تیز را دنبال کند و در نتیجه تماس سیال با دیواره مجرا قطع می شود و در این حالت یک جت تشکیل می شود که به درون قسمت سیال ساکن در بخش کوچکتر جریان می یابد . این جت ابتدا منقبض شده و سپس منبسط می گردد و کل سطح مقطع کوچکتر را پر می کند و سرانجام در پایین دست جریان توزیع سرعت حالت معمولی خود را باز می یابد.

d=12.7mm

x=120mm

L=215 mm

d =25.4mm

d=25.4mm

d =12.7mm

L=215mm

شکل (1) انبساط و انقباض ناگهانی

(-35)

(-36)

جدول (1) تغییرات ضریب افت برای انقباض ناگهانی را نشان می دهد.

1	0.8	0.6	0.4	0.3	0.2	0.1	0	A2/A1
0	0.06	0.18	0.30	0.36	0.41	0.46	0.5

برای انقباض ناگهانی k_cجدول(1)مقادیر

3.افت انرژی در زانوها و خمها :

اگر در دو نقطه از مسیر لوله ها که بین آن ها زانوئی یا خم وجود داشته باشد دو پیزومتر نصب شود اختلاف ارتفاعی که توسط دو پیزومتر مشخص میشود مربوط به دو عامل است یکی افت انرژی طولی و دیگری افت جزئی در اثر زانویی. اگر افت انرژی طولی بین دو نقطه و افت جزئی و اختلاف ارتفاع پیزومترها باشد رابطه (7) بین دو نقطه برقرار است.

(-37)

در عمل افت انرژی جزئی زانوئی را از رابطه (8) بدست میآورند.

(-38)

که در آن ضریب افت و ثابت می باشد.مقدار ضریب افت زانوئی یا خم به نسبت شعاع زانوئی (r) و به قطر لوله (d) بستگی دارد. جدول (2) تغییرات ضریب افت )( را بر حسب نسبت r/d نشان میدهد.

4	3	2	1.5	1	r/d
0.2	0.22	0.27	0.32	0.4

در زانویی هابر حسب تغییرات ( جدول (2

4. افت انرژی در شیرها :

اتصالات و شیرها، خطوط جریان معمولی را مختل کرده و سبب ایجاد اصطکاک می شوند. در یک خط لوله کوتاه با اتصالات زیاد ، افت اصطکاک ناشی از اتصالات ممکن است بیشتر از افت اصطکاک خود لوله باشد . افت انرژی جزئی در شیرها بستگی به نوع ساختمان آن دارد.

افت جزئی شیرها از رابطه زیر بدست می آید.

(3- 9 )

سرعت متوسط در لوله ای است که به اتصال u ختم می شود.

مقدار در شیرها ثابت نمی باشد بلکه به نوع شیر و مقدار باز بودن آن بستگی دارد.جدول (3) مقادیر ضرایب افت را برای بعضی از اتصالات مشخص می کند.

نوع اتصال
شیر کروی – کا‏‎ملاً باز	10.0
شیر دریچه ای-کاملاً باز	0.2
شیر دریچه ای-نیمه باز	5.6
زانویی 90	0.4

برای بعضی اتصالاتجدول (3) مقادیر

شرح دستگاه:

دستگاه مورد آزمایش از دو مدار هیدرولیکی جداگانه یکی به رنگ آبی روشن و دیگری آبی تیره تشکیل شده است. در هر یک از مدارها تعدادی اتصالات قرارداده شده است. شکل (2) نشان دهنده تابلوئی است که مدارات در روی آن نصب شده است.

شکل (2) شمای دستگاه

D	شیر دریچه ای gate valve	مانومترجیوه ای و آبی1
C	زانوی 90 درجه استاندارد	4
A	لوله مستقیم به قطر 12.7 و بطول 620 mm	7
B	زانوی 90 درجه راستگوشه	9
K	شیرکروی globe valve	مانومترجیوه ای وآبی2
E	بهmmانبساط ناگهانی از قطر12.7 mm25.4	3-1
F	mmبه12.7 mmانقباض ناگهانی از قطر 25.4	3-2
J	mm150زانوی 90 درجه به انحناء شعاع	6
H	mm100زانوی 90 درجه به انحناء شعاع	5
G	mmزانوی 90 درجه به انحناء شعاع50	8

جدول (4) مشخصات و ابعاد لوله ها در روی تابلو دستگاه

مدار آبی تیره روی تابلو شامل قسمتهای زیر است :

1- شیر دریچه ای (gate valve)

2- زانوئی 90 درجه استاندارد

3- زانوئی 90 درجه راستگوشه (mitre)

4- لوله مستقیم بطول 620 mm

مدار برنگ آبی روشن شامل قسمتهای زیر است :

5-شیرکروی

6-انبساط ناگهانی

7- انقباض ناگهانی

8- خمهای 90 درجه به شعاع 50 ، 100 و150 میلیمتر

در تمام اتصالات فوق (به جز دو نوع شیر) افت فشار توسط یک جفت پیزومتر تحت فشار هوا اندازه گیری می شود. لیکن تعیین افت فشار شیرها توسط مانومتر تفاضلی جیوه ای تعیین می شود. یادآوری میشود که اگر مانومتر تفاضلی جیوه ای اختلاف ارتفاع را نشان دهد برای تبدیل آن بر حسب ستون آب می بایست آنرا در عدد 55.13 ضرب نمود.

روش آزمایش:

قبل از شروع آزمایش می بایست دستگاه را تنظیم نمود و سپس آزمایش را در دو مرحله انجام داد. در مرحله اول شیر کروی را بسته و شیر دریچه ای را بطور کامل باز کنید تا حداکثر جریان آب در مدار برنگ آبی تیره برقرار شود. حال توسط قرائت پیزومترها میتوان افت انرژی کلی و سپس افت انرژی جزئی هر اتصال موجود در مدار فوق را تعیین نمود.

برای بررسی تغییرات افت انرژی نسبت به انرژی جنبشی آب جاری در لوله، به تدریج شیر دریچه ای را ببندید و هر بار سطوح آب در پیزومترها را یادداشت نمائید. در طول مراحل فوق دمای متوسط آب را اندازه گیری نمائید. بعد از انجام قدمهای فوق شیر دریچه را کاملاً بسته و مرحله دوم آزمایش را بصورت زیر انجام دهید.

در مرحله دوم آزمایش شیر کروی را کاملاً باز کنید سپس توسط یادداشت نمودن پیزومترها و اندازه گیری دبی می توان افت انرژی کلی و افت انرژی جزئی هر اتصال موجود در مدار آبی روشن را تعیین نمود.

برای بررسی تغییرات افت انرژی جزئی نسبت به انرژی جنبشی آب جاری در لوله بتدریج شیر کروی را ببندید و هر بار سطوح آب در پیزومترها را یادداشت نموده و دبی را اندازه گیری نمائید این عمل را حدوداً 10 بار تکرار نمایید.

در خاتمه آزمایش، دو شیر را کاملاً بسته و شیر خروجی پمپ را هم ببندید و سپس پمپ را خاموش نمائید توجه داشته باشید که قبل از خاموش کردن پمپ, بستن هر دو شیر ضروری است.

نتایج و محاسبات:

1. مقدار log وlog را در سیستم واحدی cgs برای لوله مستقیم تعیین نمایید.اگر متناسب با Qⁿباشد مقدار n را از نمودار رسم شده بدست آورید.

2. بکمک شکل (3) مقدار ضریب ویسکوزیته آب را در دمای متوسط آزمایش تعیین نمائید حال با داشتن رابطه سرعت و افت انرژی طولی مقدار عدد رینولدز و ضریب اصطکاک را از رابطه (1) برای هر مرحله بدست آورید و سپس جدول (7) را تکمیل نمائید.

3 . تغییرات ضریب اصطکاک بر حسب عدد رینولدز (دیاگرام مودی) را رسم نمائید.

4.افت انرژی جزئی انبساط و انقباض ناگهانی لوله را بر حسب انرژی جنبشی سیال جاری رسم نموده و بکمک این دو نمودار مقدار ضریب افت را برای هر کدام بدست آورید.

5. مقادیر انرژی جنبشی ، افت انرژی طولی (∆h_f) و افت های (∆h) زانوئی راستگوشه و استاندارد را بدست آورید‌. همچنین بکمک جدول داده هاو نمودارها رسم شده مقادیر انرژی جنبشی افت انرژی طولی و افت های خمها را بدست آورید. حال بکمک رابطه (7) افت جزئی هر قسمت را در هر مرحله محاسبه نمائید.لازم به ذکراست که فواصل پیزومترهای ورودی وخروجی هر زانوئی یاخم620 میلیمتر می باشد.لذا افت طول آن (h) برابر با افت طولی لوله مستقیم بطول 620 میلیمتر است.

6. تغییرات افت انرژی جزئی هر زانوئی را بر حسب انرژی جنبشی رسم نمائید و سپس مقادیر ضریب افت هر قسمت را بدست آ‎ورده و تغییرات ضریب افت هر قسمت را بر حسب نسبت r/d رسم نمائید. مقادیراین نمودار تجربی را با جدول (2) مقایسه کنید.

7. بکمک جدول داده ها و رابطه (9) تغییرات ضریب افت )( را بر حسب نسبت سرعت به سرعت حداکثر V / V_max رسم نمائید.

8. منحنی log بر حسب log را با منحنی لوله غیر زبر مقایسه کنید؟