نوشته‌ها

, , ,

روشهای اندازه گیری جریان چند فازی

اصول جریان چند فازی:

قبل از شروع بررسی روی راه حل های اندازه گیری جریان های چند فازی و قابلیت های آن،لازم است احساسی روی جریان چند فازی توسعه دهیم. بدون درک صحیحی  ازماهیت جریان چندفازی به سادگی انتخاب بهترین استراتژی برای اندازه گیری آن امکانپذیر نیست.همانطور که در این بخش نشان داده شده است هنوز جنبه های دیگری از جریان چند فازی وجود دارد که ناشناخته مانده است که باعث دشواری شناسایی و غلبه بر چالش های ارائه شده توسط MFM می شود.

مقدمه ای بر جریان چند فازی

در سراسر جهان تحقیقات روی جریان چند فازی توسط دانشمندان با پیشینه های بسیار متنوع انجام شده است: ریاضیدانان و فیزیکدانان و همچنین مهندسین مکانیک و هسته ای و شیمیایی و عمران و نفت و رشته هوا و فضا و محیط زیستی. جریان چند فازی هم در لوله ها و هم در محیط های متخلخل رخ می دهد.
به عنوان یک تعریف کلی جریان چند فازی از یک جریان متشکل از دو یا چند فاز تشکیل شده است. جریانهای چند فازی رایج ترین وقوع جریان در طبیعت می باشد. به عنوان نمونه: جریان خون در بدن انسان،حبابهای بالا رونده در لیوان آب , جو سرد و تراکم بخار بر روی پنجره. این جریان تا حد زیادی به ماهیت اجزاء و توزیع نسبی آنها بستگی دارد. ساده ترین مورد جریان چند فازی جریان دو فازی است که دو جز خالص در دو فاز متفاوت وجود دارند، یک نمونه آن جریان بخار- آب می باشد.

فاز های حاضر در یک جریان تک فازی تشکیل شده اند از:

• جامدات،که معمولا به شکل ذرات نسبتا کوچک هستند. فاز جامد تراکم ناپذیر و با مایعات اطراف خود ظاهر شکل ناپذیری دارد.
• مایعات،که نسبتا تراکم ناپذیرند اما ظاهر آنها همراه دیگر فاز ها تغییر می کند.
• گازها،که هم تراکم پذیر و هم تغییر شکل می دهند.

انواع جریان چند فازی،الگوهای جریان و نقشه های الگو جریان:

در شرح زیر به انواع اصلی جریان های چند فازی که در صنایع نفت و گاز با آن مواجه می شویم و اینکه چطور به مفهوم الگوی جریان مرتبط می شود، می پردازیم.
رفتار و شکلهای بین فازی در مخلوط چند فازی نمونه هایی هستند که الگوی جریان می گویند. درون جریان چند فازی رقابت بین نیرو ها و مکانیسم هایی وجود دارد که هر لحظه اتفاق می افتد. تعادل این نیرو ها الگوی جریان را تعیین می کند.عوامل متعددی وجود دارد که الگوی جریان چند فازی درون یک کانال را تعیین می کند:

• خواص فاز ها، نسبت ها و سرعت ها
• دما و فشار عملیاتی
• قطر کانال، شکل، شیب و زبری
• وجود لوله در بالا دست و پایین دست (مانند شیر ها، اتصالات، خم ها و …)
• نوع جریان:حالت پایدار، شبه پایدار و گذرا

 جریان های گاز – مایع

عوامل حاکم بر توزیع سطحی (رژیم جریان) در یک جریان گاز- مایع پیچیده هستند. آنها شامل کشش سطحی ،رطوبت،پراکندگی،انعقاد،نیروهای بدنه و اثرات فلاکس گرما می باشند.
با این حال ممکن است که ما انواع توزیع سطحی را در گروه های گسترده معینی (رژیم جریان) دسته بندی کنیم، حتی اگر ماهیت دقیق جریان هنوز هم به اهمیت نسبی عوامل موثر بستگی داشته باشد.
رژیم در جریان گاز مایع عمودی در شکل 1 نشان داده شده است.

شکل (1)  الگوهای جریان در جریان عمودی

شکل (1) الگوهای جریان در جریان عمودی

 

شکل (2)  الگوهای جریان برای طیف وسیعی  از زوایای شیبدار

شکل (2) الگوهای جریان برای طیف وسیعی از زوایای شیبدار

 جریان های مایع- مایع

در مقایسه با جریان های گاز- مایع پژوهش های کمتری روی جریان های مایع- مایع انجام شده است.الگو های جریان پیچیده تر هستند همانند شکل های زیر که نشان داده شده اند.
بحث عمومی در مورد جریان های مایع- مایع اولین بار توسط Govier and Aziz مطرح شد. برای مورد نفت- آب ، آب و نفت دارای چگالی های متفاوت هستند. الگو های جریان به شدت تحت تاثیر چگالی می باشند.

شکل (3)  الگوهای جریان در جریان افقی نفت-آب با یک نسبت چگالی نفت-آب 0.83

شکل (3) الگوهای جریان در جریان افقی نفت-آب با یک نسبت چگالی نفت-آب 0.83

 

شکل (4)  الگوهای جریان در جریان عمودی نفت-آب

شکل (4) الگوهای جریان در جریان عمودی نفت-آب

 

 جریان های گاز- مایع- مایع
 جریان های جامد- مایع- مایع- گاز

, , ,

کاوشگرهای فشار

در اغلب کاربردهای مکانیک سیالات، اندازه گیری دبی کلی توسط یکی از روش هایی که در بخش قبل مورد بحث قرار گرفتند، انجام می شود.این اندازه گیری ها از تغییرات موضعی سرعت و فشار در مجرای جریان صرف نظر می کنند و تنها دبی کلی از یک مقطع خاص را نشان می دهند.در کاربردهای مربوط به جریان های خارجی، نظیر هواپیما یا آزمایش های تونل باد، نوع اندازه گیری مورد نیاز کاملا متفاوت است.
دراین قبیل موارد با قرار دادن چندین کاوشگر در جریان، فشارهای استاتیک و سکون موضعی اندازه گیری می شوند.

سپس می توان به کمک این اندازه گیری ها، سرعت موضعی جریان را محاسبه کرد. برای این نوع اندازه گیری کاوشگرهای متعددی وجود دارد.در بخش حاضر به بررسی بعضی از انواع ساده ی کاوشگرها می پردازیم.
فشار کلی برای سکون تک آنتروپیک یک گاز کامل به صورت زیر است :

(1)                                        (P0 / P∞ =(1+(γ-1)/2* M∞^2 )^(γ / γ-1

که در آن p0 فشار سکون، ∞p فشار استاتیک جریان آزاد و ∞M عدد ماخ جریان آزاد با تعریف زیر است:

(2)                                                                               M∞ = U∞ / a

a سرعت صوت بوده و برای گاز کامل از رابطه ی زیر محاسبه می شود:

(3)                                                                           (a=√(γ*gc *R*T

به سهولت می توان معادله ی (1) را بر حسب فشار دینامیکی q با تعریف

(4)                                              q= 1/2* ρ*U∞^2=1/2* γ* P* M∞^2

نوشت بنابراین معادله ی (1) به صورت زیر نوشته می شود:

(5)       [P0 – P∞ = 2*q / (γ*M∞^2 ) [(1+(γ-1)/2 *M∞^2 )^(γ/(γ-1)) – 1

این رابطه را می توان به شکل زیر ساده کرد:

(6)        (…+P0 – P∞ = 2*q /(λ*M∞^2 ) (1+(M∞^2)/4+(2-λ)/24* M∞^4

هنگامی که

M∞^2 *((λ-1)/2)<1

برای اعداد ماخ بسیار کوچک، معادله ی (6) را به رابطه ی آشنای جریان تراکم ناپذیر تبدیل می شود:

(7)                                                               P° –  P∞ = 1/2* ρ*U∞^2

لذا ملاحظه می کنیم که اندازه گیری فشار های استاتیک و سکون امکان می دهد که سرعت جریان را از معادله ی (7) یا معادله ی (5) بسته به نوع جریان تعیین می کنیم.

همانطور که در شکل 1 نشان داده شده یک کاوشگر فشار کلی ساده را می توان به چند راه مختلف ساخت.

 

 شکل 1) پاسخ فشار سکون کاوشگرهای مختلف به تغییر زاویه سمت. الف)لوله ی باز، ب) لوله ی کانالی، ج) لوله ی یخ خورده، د) لوله با روزنه  جانبی

شکل 1) پاسخ فشار سکون کاوشگرهای مختلف به تغییر زاویه سمت. الف)لوله ی باز، ب) لوله ی کانالی، ج) لوله ی یخ خورده، د) لوله با روزنه جانبی

در هر مورد برای اندازه گیری فشار کلی جریان، روزنه ی کاوشگر دقیقا به موازات جریان قرار داده می شود.
اگر کاوشگر نسبت به سرعت جریان آزاد زاویه ی Ө بسازد، فشار کمتری مشاهده خواهد شد.این کاهش فشار در شکل 1 نشان داده شده است. وضعیت الف یک لوله ی باز را که در جریان قرار داده شده نشان می دهد. وضعیت ب کاوشگر حفاظدار نامیده می شود و تشکیل شده از یک لوله به شکل ونتوری که در جریان قرار می گیردو یک لوله ی باز در گلوگاه آن نصب شده تا فشار سکون را بسنجد.ملاحظه می گردد که این کاوشگر حساسیت چندانی به جهت جریان ندارد.

وضعیت ج یک لوله ی باز با روزنه ی یخ خورده را نشان می دهد. یخ خوردگی در حدود 15 درجه است و نسبت قطر خارجی به قطر داخلی لوله در حدود 5 است. وضعیت د لوله ای را نشان می دهد که روزنه ی کوچکی در پهلوی آن سوراخ شده که عمود بر جهت جریان قرار داده می شود.همانطور که انتظار می رود، این نوع کاوشگر بیشترین حساسیت را به تغییرات زاویه ی سمت دارد.همچنین در شکل 1 قسمتی از منحنی کاوشگر کیل دیده می شود که ساختمان آن به وضعیت ب شباهت دارد با این تفاوت که از ونتوری هموارتری نظیر شکل( 2) استفاده شده است.

کاوشگر کیل کمترین حساسیت را نسبت به زاویه ی سمت دارد.

شکل (2) کاوشگر کیل (مدل 3696) برای اندازه گیری فشار سکون

شکل (2) کاوشگر کیل (مدل 3696) برای اندازه گیری فشار سکون

اندازه گیری فشار استاتیک در یک جریان به مراتب مشکل تر از اندازه گیری فشار سکون است. یک کاوشگر نمونه برای اندازه گیری فشار های استاتک و سکون هر دو، لوله پیتوت است که در شکل 3 نشان داده شده است.روزنه ی جلوی کاوشگر فشار سکون را می سنجد در حالی که سوراخ های کوچک روی سطح جانبی لوله فشار استاتیک را اندازه می گیرد.

اندازه گیری فشار استاتیک با چنین وسیله ای قویا به فاصله ی سوراخ های جانبی از روزنه ی جلو و به زاویه ی سمت بستگی دارد.شکل 4 وابستگی فشار استاتیک به فاصله از لبه ی جلویی کاوشگر را برای آرایش های زیر صوت کروی و مافوق صوت مخروطی نشان می دهد.برای تخفیف این حالت، سوراخ های فشار استاتیک معمولا در فاصله ی حداقل هشت قطر از جلوی کاوشگر در پایین دست جریان قرار داده می شوند.وابستگی فشار های استاتیک و سکون به زاویه ی سمت برای یک لوله ی پیتوت قرار دادی در شکل 5 نشان داده شده است. این به وسیله به جهت جریان کاملا حساس است.کاوشگر شکل 3 گاهی اوقات لوله ی استاتیک پیتوت نامیده می شود زیرا فشار استاتیک و سکون هر دو را اندازه می گیرد.
مشخصه های فشار استاتیک سه نوع کاوشگر بر حسب عدد ماخ و زاویه ی سمت در شکل های 6 و 7 نشان داده شده است.

ملاحظه می گردد که گوه و لوله ی پرانتل هر دو مقادیر فشار استاتیک بسیار کمی را نشان می دهند در حالی که مخروط مقدار بیشتری را نشان می دهد.گوه کمترین مساحت را نسبت به زاویه ی سمت دارد.

شکل (3)  تصویر شماتیک لوله ی پیتوت

شکل (3) تصویر شماتیک لوله ی پیتوت

 

شکل (4)  تغییر فشار استاتیک در امتداد کاوشگر های زیر صوت و مافوق صوت

شکل (4) تغییر فشار استاتیک در امتداد کاوشگر های زیر صوت و مافوق صوت

 

شکل (5)  تغییر فشار های استاتیک، سکون و دینامیکی نسبت به زاویه ی سمت برای لوله ی پیتوت

شکل (5) تغییر فشار های استاتیک، سکون و دینامیکی نسبت به زاویه ی سمت برای لوله ی پیتوت

 

شکل (6)  مشخصه های زاویه ی سمت انواع کاوشگرهای فشار استاتیک

شکل (6) مشخصه های زاویه ی سمت انواع کاوشگرهای فشار استاتیک

 

هر سه کاوشگر دارای دو سوراخ فشار استاتیک می باشند که با زاویه ی 180 درجه از یکدیگر قرار گرفته اند.

شکل (7)  مشخصه های عدد ماخ کاوشگرهای فشار استاتیک

شکل (7) مشخصه های عدد ماخ کاوشگرهای فشار استاتیک

, , ,

مشاهده جریان به روش دود

مشاهده جریان به روش های مختلفی صورت می گیرد که در پست های قبلی مورد برسی قرار گرفتند در این پست روش بسیار ساده مشاهده جریان با عنوان روش دود مورد بررسی قرار می گیرد.

یک روش بسیار ساده ی مشاهده ی جریان، تزریق دود به داخل جریان و پیروی آن از مخلوط جریان است. این روش عمدتا یک روش کیفی است و انجام اندازه گیری های مستقیم، به جز چند پدیده ی خاص مشکل است.

شکل  جریانی را نشان می دهد که برای تایید یک محاسبه ی تحلیلی از مشاهده ی دود استفاده شده است. در این مورد برای رویت نمونه های (الگوهای) پیچیده ی جریان ثانویه در مجرایی که در آن یک جریان اجباری با یک موج صوتی ایستاده جفت شده، از دود استفاده شده است. نمونه های دود شکل  الف یا پیش بینی های تحلیلی شکل ب به خوبی موافقت دارد.
برای آن که خطوط دود خطوط جریان را نشان دهند، لازم است که جرم ذرات منفرد دود به اندازه ی کافی کوچک باشد تا آزادانه با سرعت جریان حرکت کنند.

دود فیلتر شده ی حاصل از سوختن چوب پوسیده یا سیگار برگ معمولا برای بررسی های دود مناسب است. همانطور که دود حاصل از تترا کلرید تیتانیوم هنگام واکنش با رطوبت هوا و تشکیل اسید هیدروکلریک و اکسید تیتانیوم مناسب است.ولی این ماده اخیر، در مقابل بسیاری از موادی که برای ساختن ظروف استفاده می شود خوردگی ایجاد می کند.

یکی از بهترین مواد سوختی برای تولید دود غیر سمی، غیر خورنده و غلیظ محصولی است به نام فاگ جوس نوع 1964.دمای جوش این سوخت تقریبا 530 درجه فارنهایت (276 درجه سانتی گراد ) است محتوی هیدروکربن نفتی بوده و می توان آن را از اغلب فروشگاه های وسایل تئاتر خریداری کرد.

 

 

روش دود

 

روش دود

شکل الف) عکس دود اثرات جریان ثانویه ی حاصل از یک موج صوتی ایستاده در لوله را نشان می دهد.ب) خطوط جریان سیستم

 

, , ,

باد سنج دوپلر لیزری (LDA)

قبلا ملاحظه کردیم که روش های اپتیکی مشاهده ی جریان این مزیت را دارند که در حین انجام اندازه گیری جریان را آشفته نمی سازند.بادسنج لیزری وسیله ای است که مزیت آشفته نساختن روش های اپتیکی را دارد و کمیت سرعت ها را با دقت بالایی اندازه می گیرد.این وسیله توانایی پاسخ سریع را دارد و برای اندازه گیری افت و خیز های مغشوش فرکانس بالا مناسب است.

تصویر شماتیک LDA در شکل الف نشان داده شده است.پرتو لیزر به کمک عدسی L1 روی یک المان حجم کوچک در جریان متمرکز می گردد.برای آن که این دستگاه قادر به کار باشد، جریان باید محتوی نوعی ذرات ریز باشد که بتواند نور را پراکنده سازد.اما تمرکز مورد نیاز ذرات بسیار کوچک است. مثلا آب تصفیه شهر برای پراکنده ساختن پرتو تابشی به اندازه ی کافی ناخالصی دارد. دو عدسی اضافی L2 و L3 به نحوی قرار داده شده اند تا پرتو لیزری که از میان سیال عبور می کند (عدسی L3 ) و قسمتی از پرتویی که تحت زاویه ی Ө پراکنده می شود ( عدسی L2 ) را دریافت کند.

در فرکانس نور پراکنده شده یک جابجایی دوپلر به وجود می آید که با سرعت جریان نسبت مستقیم دارد. چگالی قسمت پراکنده نشده ی پرتو توسط صافی چگالی خنثی کاهش یافته و از طریق تقسیم کننده ی پرتو مجددا با پرتو پراکنده شده ترکیب می شود.دستگاه باد سنج لیزری باید به نحوی ساخته شود که پرتو های مستقیم و پراکنده ی مسیر اپتیکی یکسانی را طی کنند، به طوری که در لوله ی تکثیر کننده ی نور تداخلی متناسب با جابجایی فرکانس مشاهده گردد.این جابجایی معرف سرعت جریان است.برای بازیافتن داده های سرعت از علائم تکثیر کننده ی نور باید از روش های الکترونیکی پیشرفته ای جهت پردازش علائم استفاده شود.با به کار گرفتن یک آنالیزور طیفی می توان سرعت را در جریان آرام دائم و سرعت میانگین و شدت توربولانس را در جریان مغشوش تعیین کرد.

روش های مشابه برای پراکنده ساختن و اندازه گیری در شکل های  ب و  ج نشان داده شده است.در (ب) پرتو لیزر در خارج مقطع آزمایش تقسیم می گردد و پرتو را می توان دقیقا روی نقطه ی مورد مطالعه در میدان جریان متمرکز ساخت. روزنه به عنوان حفاظی در برابر نور پراکنده شده ی نا همدوس ( غیر منسجم، ناموافق ) و نور زمینه عمل می کند. شکل  ج اصلاح بیشتر سیستم را نشان می دهد و تنظیم آسان طول مسیر را امکان پذیر می سازد.

در کار LDA غالبا از لیزر های گازی هلیوم – نئون استفاده می شود، گرچه لیزر های یون آرگون پرتو خروجی شدید تری فراهم می کند. لیزر هلیوم – نئون با طول موج 632.8 نانو متر (در حدود 14^10*5 هرتز) و پهنای نوار 10 هرتز کار می کند.گرچه جابجایی دوپلر حاصل از مراکز پراکندگی متحرک در مقایسه با فرکانس منبع لیزری کوچک است، اما در مقایسه با پهنای نوار بسیار بزرگ بوده و می توان آن را به کمک روش های هترودین آشکار کرد. در این روش فوتو کاتود پرتو پراکنده شده را با پرتو مرجع مخلوط می کند تا جریانی با فرکانس مساوی با اختلاف فرکانس دو پرتو تولید کند. پردازش الکترونیکی نیاز به تحلیل طیفی جریان تکثیر کننده ی نوار دارد تا فرکانس دوپلر و از آن جا سرعت جریان تعیین شود.

واضح است که LDA سرعت ذرات پراکنده کننده را اندازه می گیرد.اگر آن ها به اندازه ی کافی کوچک باشند، سرعت لغزشی میان ذرات وسیال کوچک خواهد بود و لذا معرف خوبی برای سرعت سیال به دست خواهد آمد.
باد سنج های لیزری که پیش از یک مولفه سرعت را به طور همزمان اندازه می گیرند نیز ساخته شده اند، اما اپتیک و فن پردازش الکترونیکی سیگنال ها کاملا پیچیده و گران است. ولی با این حال امید غیر منتظره ای را در بررسی دقیق توربولانس و سایر پدیده های جریان عرضه می کند که انجام آن به طریق دیگر امکان پذیر نیست.ولش و هاینر خاطر نشان ساخته اند که حجم نمونه ی یک پرتو لیزری کانونی شده می تواند به کوچکی 5-^10 *1.6 (mm ^3 ) با تفکیک مکانی مرتبه ی چند ده میکرون باشد.

 تصویر شماتیک سیستم اندازه گیری جریان بادسنج لیزری

باد سنج دوپلر لیزری

باد سنج دوپلر لیزری

باد سنج دوپلر لیزری

, , ,

تداخل سنج

تداخل سنج ماخ – زندر دقیق ترین وسیله ی مشاهده ی جریان است.نمایش شماتیک ان را در نظر بگیرید.منبع نور توسط عدسی L1 موازی شده و با صفحه ی تقسیم کننده ی S1 برخورد می کند.این صفحه اجازه می دهد نصف نور به آیینه ی M2 انتقال یابد در حالی که نصف دیگر را به طرف آیینه ی M1 منعکس می کند. پرتو 1 از مقطع آزمایش عبور می کند، در صورتی که پرتو 2 یک مسیر مشابه با طول مساوی را طی می کند.این دو پرتو توسط صفحه ی تقسیم کننده ی S2 دوباره به یکدیگر ملحق شده و نهایتا روی پرده کانونی می شوند. حال اگر این دو پرده یا به خاطر شکل هندسی دستگاه و یا به واسطه ی خواص شکست المان مسیر های اپتیکی، مسیر هایی با طول های اپتیکی مختلف را طی کنند، دو پرتو اختلاف فاز خواهند داشت و هر گاه درS2 به یکدیگر ملحق شوند، تداخل خواهند کرد.در این صورت نواحی یک در میان تاریک و روشنی به وجود می آید که به آن فریز می گویند.

تعداد فریز ها تابعی از اختلاف طول های مسیر اپتیکی دو پرتو است.اگر اختلاف طول های مسیر برابر یک طول موج باشد یک فریز وجود خواهد داشت، برای دو طول موج دو فریز و غیره.
تداخل سنج برای اندازه گیری مستقیم تغییرات چگالی در مقطع آزمایش به کار می رود.اگر چگالی در مقطع آزمایش ( یعنی پرتو 1) با چگالی مربوط به پرتو 2 تفاوت داشته باشد، خواص شکست محیط سیال تغییر می کند.
اگر محیط مقطع آزمایش دارای خواص اپتیکی مشابه با محیط پرتو 2 باشد، فریز ها جابجا نخواهند شد مگر به واسطه ی آرایش هندسی دستگاه این جابجایی فریز ها را می توان با جابجا کردن آیینه ها و صفحات تقسیم کننده خنثی نمود.در این صورت، شکل ظاهری فریز های روی پرده را می توان با استفاده از تحلیل زیر مستقیما به تغییرات چگالی میدان جریان داخل مقطع آزمایش مربوط ساخت.

  تصویر شماتیک تداخل سنج ماخ – زندر

تصویر شماتیک تداخل سنج ماخ – زندر

تغییر مسیر اپتیکی در مقطع آزمایش به خاطر تغییر ضریب شکست برابر است با:

(1)                                          (°L=l* (n – n∆

که در آن L ضخامت میدان جریان در مقطع آزمایش است می توان تغییر مسیر اپتیکی را با تغییر چگالی گازها مربوط ساخت.

(2)                                    L=β*L* (P-P°) / PS∆

در این صورت تعداد جابجایی فریز ها N برابر است با:

 

(3)                  N= ∆L / λ=β*L / λ* (ρ – ρ0) / ρS

که در آن λ طول موج نور است. در معادله ی 3 باید توجه داشت که ρ–ρ 0 تغییر چگالی نسبت به حالت بدون فریز را نشان می دهد. اندیس 0 به حالت بدون فریز اشاره می کند. یعنی شرایط مسیری که پرتو 2 در شکل طی می کند.Ѕρ چگالی مرجع در شرایط استاندارد است.

تداخل سنج تغییرات چگالی مقطع آزمایش را مستقیما و به صورت کمی نشان می دهد، اما این تغییرات به صورت مقادیر متوسط در تمامی ضخامت میدان جریان نشان داده می شوند.کاربرد آن گستره ی وسیعی از شرایط جریان را از جریان سرعت کم ( در حدود 30cm/s ) در لایه های مرزی جابجایی آزاد تا پدیده ی موج ضربه ای در جریان مافوق صوت در بر می گیرد.شکل های زیر چند نمونه از عکس های تداخل سنج را نشان می دهند.شرح هر شکل نوع جریان را توضیح می دهد.در تداخل سنج معمولا از منبع جیوه ای استفاده می شود.

شکل (2-38)  عکس تداخل سنج از برهم کنش لایه های مرزی جابجایی آزاد روی سه استوانه ی داغ افقی. سیال هوا است و هر خط فریز یک خط دمای ثابت را نشان می دهد.

عکس تداخل سنج از برهم کنش لایه های مرزی جابجایی آزاد روی سه استوانه ی داغ افقی. سیال هوا است و هر خط فریز یک خط دمای ثابت را نشان می دهد.

, , ,

مشاهده ی جریان شلیرن

در حالی که سایه نگار حاکی از مشتق دوم چگالی در میدان جریان می باشد، شلیرن وسیله ای است که گرادیان چگالی را نشان می دهد.
تصویر شماتیک شکل زیر را در نظر بگیرید. نوری که از چشمه ی شکاف مانند ab خارج می شود توسط عدسی L1 موازی شده و روی صفحه ی 1 در مقطع آزمایش کانونی می گردد.پس از عبور از عدسی L2، تصویر معکوس چشمه در صفحه ی کانونی 2 تشکیل می شود. سپس عدسی L3 تصویر مقطع آزمایش را روی پرده در صفحه ی 3 کانونی می کند. اکنون فرآیند تصویر سازی را با جزئیات بیشتر در نظر می گیریم.مخروطهای نوری که از نقطه ی a سرچشمه می گیرند قسمتی از عدسی های مختلف را اشغال می کنند که با نواحی اشغال شده توسط مخروطهای نوری دیگری که از b یا هر نقطه ی دیگر منبع شکاف مانند سرچشمه می گیرند، متفاوت است. نواحی که در آن این مخروط ها روی هم قرار می گیرند در شکل نشان داده شده است. توجه کنیدکه کلیه ی مخروطهای نوری از صفحه تصویر cd در مقطع آزمایش و صفحه تصویر منبع b’a’عبور می کنند. بنابراین تصویر مقطع آزمایش در d’c’ به طور یکنواخت روشن می شود، زیرا روشنایی تصویر در b’a’ یکنواخت است. یعنی کلیه ی نقاط صفحه ی b’a’ به یک صورت توسط هرگونه اثرات سیال که ممکن است در مقطع آزمایش اتفاق افتد تحت تاثیر قرار می گیرند.

  الف- تصویر شماتیک مشاهده ی جریان شلیرن ب-جزئیات لبه ی تیز

الف- تصویر شماتیک مشاهده ی جریان شلیرن ب-جزئیات لبه ی تیز

اگر چگالی در مقطع آزمایش کاملا یکنواخت باشد، مخروطهای نور به صورتی که در شکل نشان داده شده ظاهر می شوند. مخروطی که از نقطه ی c سرچشمه می گیرد به اندازه ی مخروطی که از d سرچشمه می گیرد منحرف می شود. این موضوع با این مشاهده که کلیه ی مخروطهای سرچشمه گرفته از cd به طور کامل صفحه ی تصویر b’a’ را پر می کنند، سازگار است.اکنون تاثیر قرار دادن یک مانع در صفحه ی b’ c’ را تحت این شرایط در نظر بگیرید.بلافاصله نتیجه می گیریم که یک چنین مانعی روشنایی روی پرده را با ضریبی متناسب با سطح قطع شده ی b’a’ به طور یکنواخت کاهش می دهد.
اکنون فرض کنید که در صفحه ی کانونی cd مقطع آزمایش یک گرادیان چگالی وجود دارد. مفهوم آن این است که کلیه ی مخروطهای نوری که از این صفحه سرچشمه می گیرند دیگر صفحه تصویر b’a’ را به طور کامل پر نمی کنند.

اکنون اگر مانعی در صفحه ی b’a’ قرار داده شود، از بعضی از نقاط موجود در صفحه ی مقطع آزمایش نور بیشتری را قطع می کند و نتیجه ی آن ظاهر شدن نواحی روشن و تاریک روی پرده در صفحه ی 3 است. به این مانع لبه تیز می گویند و تغییر روشنایی حاصل روی پرده را اثر شلیر نمی نامند.
اکنون تغییر روشنایی را با جزئیات بیشتر بررسی می کنیم. در شکل  ب، ارتفاع کلی تصویر منبع برابر y بوده و قسمتی که توسط لبه ی تیز قطع نمی شود برابر با y1 است.بنابراین روشنایی کلی روی پرده I متناسب با y1 است. جابجایی زاویه ای یک مخروط نور در صفحه ی 1 برابر ε است.انحراف عمودی حاصل از آن در صفحه ی 2 برابر است با :

 

(1)                                                   y=ε F2 ∆

که در آن f2 فاصله ی کانونی عدسی L2 است. درنتیجه این انحراف، روشنایی روی پرده به طور نسبی تغییر می کند. تمایز در هر نقطه از پرده به صورت نسبت تغییر نسبی روشنایی به روشنایی کلی تعریف می شود:

(2)                        C= ΔI / I=∆y / y1 =ε F2 / y1

عبارت مربوط به تمایز به صورت زیر نوشته می شود:

 (3)                          (c= (f2 *lB / yl* ρs) (dρ/dy

بنابراین تمایز روی پرده مستقیما متناسب با گرادیان چگالی در جریان است.
مشاهده می گردد که با کاهش فاصله ی y1 یعنی با قطع کردن بیشتر نور در تصویر منبع، تمایز افزایش می یابد.این کار روشنایی عمومی را نیز کاهش می دهد. به طوری که تمایز را نمی توان به طور نامحدود افزایش داد و باید حد میانه ای را پذیرفت.عکس های شلیرن به طور گسترده به منظور تعیین مکان امواج ضربه ای و پدیده های پیچیده ی لایه ی مرزی در جریان های مافوق صوت مورد استفاده قرار می گیرند.

, , ,

روش های مشاهده جریان

جریان سیال موضوع پیچیده ای است که بسیاری از جنبه های مختلف آن هنوز تسلیم روشهای دقیق تحلیلی نگشته است.در نتیجه مسائل اندازه گیری جریان به واسطه ی عدم وجود روابط تحلیلی برای انجام محاسبات و تحویل داده های تجربی، همیشه ساده و دقیق نیستند.
تعبیر و تفسیر داده های مربوط به توربولانس یا اندازه گیریهای لایه ی مرزی پیچیده، جریان لزج و اثرات امواج ساده نیستند.غالبا کاوشگرهایی که برای اندازه گیری پروفیلهای فشار، سرعت و دما به کار گرفته می شوند جریان را تغییر می دهند به طوری که تجربه گر در مورد اثری که اندازه گرفته است اطمینان ندارد.مشاهده ی جریان با روش های اپتیکی این مزیت را دارد که اگر صحیح اجرا شود، جریان سیال را آشفته نمی سازدو لذا برای تجربه گر یک ابزار اضافی محسوب می گردد تا همراه با سایر وسایل اندازه گیری مورد استفاده قرار دهد. در بعضی موارد روش های مشاهده ی جریان برای اندازه گیری نسبتا دقیق پارامتر های مهم جریان به کار گرفته می شوند، در حالی که در موارد دیگر از آنها به منظور جمع آوری اطلاعات کیفی درباره رفتار کلی جریان استفاده می شود.
در ادامه اصول برخی از روش های مقدماتی مشاهده ی جریان را مورد بحث قرار داده و کاربرد آن ها را نشان خواهیم داد.
میدان جریان گازی را در نظر بگیرید.جریان در امتداد عمود بر صفحه ی کاغذ است، یعنی امتداد محور z. یک پرتو نور ورودی به واسطه ی گرادیان چگالی جریان به اندازه ی زاویه ی ε منحرف می گردد.
می توان نشان داد که برای گرادیان های کوچک چگالی، زاویه ی انحراف به صورت زیر است:

(1)                     (ε= L/n1 (dn/dy)(y=y1 ) = Lβ/ρs (dρ/dy)(y=y1

که در آن L عرض میدان جریان، ρ چگالی موضعی سیالs، ρ یک چگالی مرجع که معمولا در شرایط استاندارد در نظر گرفته می شود و n ضریب شکست است که برای گازها به صورت زیر نوشته می شود:

   (2)                                                               n=(1+β ρ/ρs ) n1

β یک ثابت بی بعد است که مقدار آن برای هوا در حدود 0.000292 است.
n1 ضریب شکست در خارج از میدان جریان است و می توان آن را در معادله ی (1) تقریبا برابر با یک در نظر گرفت.

به موجب معادله ی (1) انحراف زاویه ای پرتو نور ε متناسب است با گرادیان چگالی جریان.این یک اثر اپتیکی مقدماتی است که در کنار مشاهده ی جریان مورد استفاده قرا می گیرد.باید توجه داشت که انحراف پرتو نور معرف گرادیان متوسط چگالی در امتداد محور x است. لذا این اثر در درجه ی اول برای نشان دادن تغییرات چگالی در دو بعد (در این حالت ابعاد y و z ) مفید است و از تغییرات در بعد سوم میانگین می گیرد.

در بخش هایی که به دنبال می آید چند روش اپتیکی مشاهده ی جریان را برای استفاده در سیستم های گازی مورد بحث قرار می دهیم.برای مشاهده ی جریان مایعات یک روش تجربی اضافه کردن رنگ به مایع برای مطالعه ی پدیده ی جریان است.
روش دیگری که توجه قابل ملاحظه ای به آن معطوف شده روش به اصطلاح حباب هیدروژن است.این روش شامل استفاده از یک سیم نازک است که در آب قرار داده می شود تا به عنوان یک انتهای مدار جریان مستقیم، آب را تجزیه ی الکتریکی کند.
بدین ترتیب حباب های بسیار کوچک هیدروژن در مایع تشکیل می شود. حرکت حباب ها را می توان با روشنایی دادن به جریان مورد مطالعه قرار داد.کاربرد این روش توسط شراب،کلاین و سایرین مشرحا توضیح داده شده است.

به مرور روش های مشاهده جریان در سایت قرار خواهد گرفت.

, , ,

دبی سنج های مغناطیسی

جریان یک سیال رسانا از داخل یک میدان مغناطیسی را در نظر بگیرید.چون این سیال عبور یک رسانا از داخل یک میدان را نشان می دهد، ولتاژی القا می شود که برابر است با:

E= BLU×10^ -8

که در ان B چگالی شار مغناطیسی، گاوس U سرعت رسانا cm/s و L طول رسانا، cm می باشد.طول رسانا متناسب با قطر لوله و سرعت متناسب سرعت میانگین جریان است.ولتاژ القا شده را که معرف مستقیم سرعت جریان است، ثبت می کنند.

دو نوع دبی سنج مغناطیسی به صورت تجاری مورد استفاده قرار می گیرد.یکی از این دو نوع دارای روکش لوله ی نارسانا است و برای سیالات با رسانندگی کم نظیر آب استفاده می شود.الکترودها به نحوی نصب شده اند که با روکش نارسانا در یک سطح قرار دارند و با سیال در تماس هستند.معمولا در این شمارگرها از میدان های مغناطیسی متناوب استفاده می شود زیرا خروجی ضعیف است و نیاز به تقویت دارد.در نوع دوم دبی سنج مغناطیسی از سیالات با رسانندگی زیاد نظیر فلزات مایع استفاده می شود.در این حالت یک لوله از جنس فولاد ضد زنگ که الکترود ها مستقیما به خارج لوله متصل شده اند و در امتداد قطر در مقابل یکدیگر قرار دارند به کار برده می شود خروجی این نوع شمارگر به حد کافی قوی است و می توان از ان به منظور قرائت مستقیم استفاده کرد.

, , ,

باد سنج سیم داغ و فیلم داغ

باد سنج فیلم داغ وسیله ای است که غالبا در کاربرد های تحقیقاتی برای مطالعه ی تغییرات سریع شرایط جریان مورد استفاده قرارمی گیرد.یک سیم نازک که با عبور جریان برق گرم می شود در داخل جریان سیال قرار داده می شود.کار اولیه ی کینگ نشان داده است که آهنگ انتقال گرما از این سیم را می توان به شکل زیر بیان کرد:

(1)                         (∞q=(a+b*u^0.5) (Tw – T

که در آن
Tw= دمای سیم
∞T = دمای سیال در جریان ازاد
u = سرعت سیال
a و b = ثابت هایی که از درجه بندی وسیله به دست می آیند.

آهنگ انتقال گرما به صورت زیر نوشته می شود:

(2)              [(q=i^2* Rw=i^2* R0 [1+a(Tw- T0

 که در آن :
¡ = جریان برق
R0= مقاومت سیم در دمای مرجع
α = ضریب دمای مقاومت
برای اندازه گیری سیم داغ به یک مدار پل وصل می گردد.جریان توسط اندازه گیری افت ولتاژ در دو سر مقاومت استاندارد RS تعیین می شود و مقاومت سیم به کمک مدار پل به دست می آید.برای اندازه گیری های حالت دائم از شرط صفر می توان استفاده کرد در حالیکه برای اندازه گیری های گذرا از نوسان نگار (اسیلوگراف) استفاده می شود.
با تعیین ¡ و Rw سرعت جریان از معادلات (1) و (2) محاسبه می شود.

کاوشگرهای سیم داغ به طور گسترده برای اندازه گیری جریان های گذرا، مخصوصا اندازه گیری افت و خیز های مغشوش مورد استفاده قرار گرفته اند.ثابت های زمانی از مرتبه 1میلی ثانیه را می توان با به کار گیری سیم های پلاتین یا تنگستن به قطر 0.0001 در هوا به دست آورد.
هرگاه برای اندازه گیری جریان هایی که تغییرات تندی دارند از سیم داغ استفاده شود پاسخ گذرای مشخصه های گرمایی و مقاومت الکتریکی سیم هر دو باید در نظر گرفته شوند.در عمل از دو نوع اقدام جبرانی استفاده می شود:
یک آرایش جریان ثابت، که در ان مقاومت بزرگی با سیم داغ سری می گردد و سپس یک مدار جبران کننده به ولتاژ جریان متناوب خروجی اعمال می شود.
یک آرایش دما ثابت، که در آن یک مدار کنترل پس خور (فید بک) اضافه می شود تا با تغییر جریان، دمای سیم تقریبا ثابت بماند.پاسخ سیم به زاویه ای که سرعت جریان با محور سیم می سازد بستگی دارد و تکنیک هایی ابداع شده تا این اثر به حساب آورده شود.نسبت طول به قطر سیم {L/d} نیز تاثیر مهمی بر عملکرد اندازه گیری دارد.این نسبت برای سیم های داغ نوعی حدود 50 است.

یکی از اصلاحاتی که در روش سیم داغ به عمل می آید از یک استوانه عایق کننده کوچکی تشکیل شده که با یک فیلم نازک فلزی پوشیده شده است.این وسیله را کاوشگر سیم داغ می نامند. اجزای این کاوشگر عبارتند از:
الف) پایه فلزی نگه دارنده حس کننده (سنسور)، که به عنوان یک پایانه (ترمینال) الکتریکی عمل می کند.
ب) پوشش اپاکسی (چسب دو قلو)
ج) پیوند طلایی برای اتصال الکتریکی و مکانیکی
د) ابکاری طلا، با ضخامت تقریبی 5 میکرون
ه) لوله ی شیشه ای، با قطر تقریبی 25 تا 100 میکرون
این ضخامت های نوعی توسط شرکت سیستم های گرمایی (در شهر مینیا پلیس ایالت مینه سوتا) به کار رفته است.

کاوشگر های فیلم داغ به نوسانات سرعت سیال بی نهایت حساس هستند و در اندازه گیری هایی با فرکانس 50000 هرتز به کار برده شده اند.برای انجام این اندازه گیری ها به وسایل الکترونیکی مجهزی نیاز است.