CHIA SẺ KIẾN THỨC KỸ THUẬT

May 19, 2017

Các chế độ chảy của môi chất và thí nghiệm của Reynolds


Khi quan sát sự chuyển động của chất lỏng trong ống dẫn thu về các kết quả đó là: có trường hợp chất lỏng chảy tuần tự và giữ ổn định, có trường hợp dòng chảy gợn sóng và có cả trường hợp dòng chảy rối loạn. Đó chính là các chế độ chảy khác nhau của dòng chất lỏng. Và tổng quát hơn là các chế độ chảy của chất lưu (chất lỏng và khí).

Để nghiên cứu chế độ chuyển động của dòng chất lưu trong ống dẫn, năm 1883 Reynolds tiến hành thí nghiệm như hình ảnh và video bên dưới:







Bằng cách điều chỉnh van 1, vận tốc chất lưu trong ống thủy tinh sẽ thay đổi và Reynolds nhận thấy, khi vận tốc nhỏ, dòng mực chuyển động trong ống thủy tinh như một sợi chỉ xuyên suốt trong ống. Tiếp tục tăng vận tốc tới một lúc nào đó, dòng mực bắt đầu gợn sóng. Nếu tiếp tục tăng vận tốc lưu chất thì dòng mực hòa trộn hoàn toàn trong nước, nghĩa là không còn nhìn thấy dòng mực nữa.
Hiện tượng này được Reynolds giải thích như sau, khi vận tốc lưu chất còn nhỏ, chất lỏng chuyển động theo từng lớp song song nhau nên dòng mực cũng chuyển động theo đường thẳng. Trường hợp này Reynolds gọi là chế độ chảy tầng (chảy dòng).
Khi vận tốc tăng đến một giới hạn nào đó, các lớp chất lỏng bắt đầu có hiện tượng gợn sóng (chuyển động theo phương vuông góc) do đó dòng mực cũng bị dao động tương ứng và chế độ này gọi là chảy quá độ.
Tiếp tục tăng vận tốc lưu chất thì các lớp chất lỏng chuyển động theo mọi phương do đó dòng mực bị hoà  trộn hoàn toàn trong lưu chất. Trường hợp này gọi là chế độ chảy xoáy (chảy rối).
Với việc nghiên cứu dòng mực chuyển động trong ống khi thay đổi vận tốc dòng lưu chất, Reynolds đã tìm ra một trị số vô thứ nguyên đặc trưng cho chế độ chuyển động của dòng lưu chất và được gọi là trị số Reynolds. Hay có thể nói hệ số Reynols là vận tốc không thứ nguyên, đặc trưng cho chế độ chuyển động của dòng chảy

Re = (ρ.w.l)/µ = (w.l)/ν

Trong đó:
ρ - khối lượng riêng lưu chất, kg/m3.
µ - độ nhớt động lực học lưu chất, kg/ms.
ν - độ nhớt động học, m2/s.
w - vận tốc dòng lưu chất chuyển động trong ống, m/s
l - Kích thước xác định, m

Reynolds đã chứng minh được rằng khi:

-  Re < 2300: Môi chất chảy tầng.
-  Re = 2300 ÷ 10^4: Môi chất chảy quá độ
-  Re > 10^4: Môi chất chảy xoáy

Ta có thể tóm tắt lại như sau:

- Chế độ chảy tầng: Đó là quá trình chảy có quy luật, các phần tử trong dòng môi chất chuyển động song song với mặt vách, môi chất chảy theo từng lớp không xáo trộn với nhau, nên hệ số tỏa nhiệt α không lớn, trao đổi nhiệt giữa các lớp chủ yếu do dẫn nhiệt. Do hệ số dẫn nhiệt của chất lỏng hoặc chất khí nhỏ nên cường độ trao đổi nhiệt thấp.
- Chế độ chảy rối: Là hiện tượng các phần tử trong dòng chuyển động hỗn loạn xáo trộn với nhau, không theo quỹ đạo xác định mặc dù vẫn có khuynh hướng chung là chuyển động theo dòng chảy, các phần tử của môi chất có cơ hội tiếp xúc và trao đổi nhiệt với mặt vách nhiều hơn nên hệ số tỏa nhiệt tăng cao. Trao đổi nhiệt chủ yếu do đối lưu, cường độ trao đổi nhiệt lớn. Nhiệt độ giữa các vùng trong lòng chất lỏng tương đối đồng đều.
Mặc dù chất lỏng hay khí chảy rối nhưng sát bề mặt rắn bao giờ cũng có lớp biên chảy tầng, chiều dày lớp này phụ thuộc tốc độ dòng chảy, nếu tốc độ lớn, độ nhớt nhỏ thì chiều dày lớp biên sẽ nhỏ.
- Chế độ chảy quá độ: Dòng môi chất từ chế độ chảy tầng sang chế độ chảy rối thường qua giai đoạn trung gian là chế độ chảy quá độ, trong giai đoàn này dòng chảy không hoàn toàn là chảy tầng cũng không hoàn toàn là chảy rối.

Trong công thức trị số Re thì kích thước định tính l = dtd do người lập công thức tính α lựa chọn theo quy tắc như sau:

>> dtd = h - Chiều cao của mặt phẳng hoặc trụ thẳng đứng.
>> Đường kính tương đương của ống nằm ngang hoặc bề mặt ngoài vật hữu hạn.

Ống nằm ngang với diện tích và chu vi của tiết diện chứa chất lỏng là f (m2) và u (m) sẽ có đường kính tương đương:

dtd = 4f/u

- Nếu ống tròn có đường kính D: thì tiết diện f = πD^2/4 và chu vi u = πD. Như vậy dtd = 4f/U = D.
- Nếu ống có tiết diện hình chữ nhật có cạnh a, b: Tiết diện f = a.b và chu vi U = 2(a + b). Như vậy đường kính tương đương của ống có tiết diện hình chữ nhật là  dtd = 4f/U = (2ab)/(a+b)
- Nếu ống có tiết diện hình vuông cạnh a thì dtd = a.
Vật hữu hạn với thể tích V, diện tích xugn quanh F thì sẽ có:

dtd = (G.V)/F


Hệ số Reynolds rất quan trọng trong việc tính ra hệ số tỏa nhiệt không thứ nguyên Nusselt đặc trưng cho cường độ tỏa nhiệt:

α = (Nu.λ)/l

Với:

α - Hệ số tỏa nhiệt bề mặt (W/m2K).
l - Kích thước xác định của bề mặt (m).
λ - Hệ số dẫn nhiệt của môi chất (W/mK).

Các bạn có thể tham khảo thêm video bên dưới:


Chúc các bạn thành công!

Loading...

DMCA.com Protection Status

Loading...

0 nhận xét:

Post a Comment

 
All Rights Reserved by EBOOKBKMT © 2015 - 2017