اندازه گیری مشخصه های یک رودخانه محلی – جلسه سوم

اهداف:

آشنایی با انواع وسایل اندازه گیری دبی و سرعت جریان و کاربرد هر یک

آشنایی با قانون برنولی به همراه آزمایش

کاربردهای قانون برنولی

شرح یک دستگاه ساده برای اندازه گیری سرعت جریان به کمک قانون برنولی

وسایل مورد نیاز:

چند لیوان آب

یک شلنگ آب

چند عدد نی نوشابه تاشو

3-1 روش‌های متداول اندازه گیری دبی
تا این مرحله از پروژه با اهمیت اندازه گیری دبی در محاسبات نیروگاهی آشنا شدید. در این جلسه می‌خواهیم شما را با روش‌های اندازه گیری دبی جریان آشنا کنیم. در ابتدا به این سوالات زیر پاسخ دهید:

_ آیا می توانید روشی برای اندازه گیری دبی یک شلنگ ارایه دهید (یعنی بگویید از این شلنگ چه حجمی آب در ساعات خارج می شود)؟

روشی برای اندازه گیری دبی آب عبوری از یک جوب چطور؟

حال چند روش متداول اندازه گیری دبی را آموزش می‌دهیم. چون دبی عبارت است از حجم آب جابجا شده بر واحد زمان، ساده ترین روش اندازه گیری دبی این است که حجم آب عبوری در یک زمان معین را توسط یک ظرف مدرج شده اندازه گیری نموده و بر زمان عبور جریان تقسیم نمایند.

برای مثال، در شکل بالا یک سطل را توسط وسایل آزمایشگاهی مانند بشر مدرج می کنیم. سطل را در زیر شیر آبی قرار می‌دهیم، اگر پس از گذشت x ثانیه، y لیتر از سطل پر شود، دبی برابر خواهد بود با ^y/_x لیتر بر ثانیه. این روش یکی از دقیق ترین روش‌های اندازه گیری دبی می‌باشد که در جاهایی که امکان استفاده از این روش وجود داشته باشد (مثلاً دبی جریان خیلی زیاد نباشد...) و جاهایی که دقت زیاد لازم باشد، استفاده می شود.

3-2 قانون برنولی
از دیگر روش‌هایاندازه گیری دبی، اندازه گیری سرعت عبور جریان و ضرب نمودن آن در اندازه سطح مقطع عبور جریان می باشد که قبلاً راجع به آن صحبت کردیم.

_ می‌توانید روش‌هایی برای اندازه گیری سطح مقطع جریان و سرعت جریان بیان کنید؟
برای اندازه گیری مقطع جریان در صورتی که مقطع ساده باشد، مثلاً مربعی شکل باشد، با ضرب نمودن طول و عرض آن، اندازه مساحت مقطع عبور جریان به دست می آید.

نحوه اندازه گیری سطح مقطع جریان (مقاطع ساده)

ولی در صورتی که مقطع پیچیده تر باشد، باید با اندازه گیری ابعاد در نقاط مختلف، ابتدا شکل مقطع را به دست آورده و سپس آن‌را روی کاغذ شطرنجی رسم نمایید. با شماردن تعداد خانه های اشغال شده و به دست آوردن مقیاس (نسبت اندازه شکل به اندازه حقیقی) می توان مساحت را به دست آورد.

نحوه اندازه گیری سطح مقطع جریان (مقاطع پیچیده)

برای آنکه این موضوع را بهتر درک نمایید، یک شکل پیچیده را روی کاغذ شطرنجی رسم کرده و مساحت آن‌را اندازه بگیرید. شکل رسم شده می تواند به صورت زیر باشد.

پس از آموختن اندازه گیری سطح مقطع، باید روش‌هایی برای اندازه گیری سرعت جریان بیاموزیم. برای اندازه گیری سرعت، دستگاه‌های زیادی وجود دارد. یکی از این دستگاه‌ها سرعت سنج توربینی نام دارد و مانند شکل زیر کار می کند.

سرعت سنج توربینی

در این دستگاه آب با برخورد با پره های توربین آن‌را می‌چرخاند و با اندازه گیری سرعت دوران پره می‌توان سرعت عبور جریان را به دست آورد.
از دیگر روش‌های اندازه گیری سرعت جریان، استفاده از قانون برنولی می باشد. برای درک بهتر موضوع، این قانون را با یک آزمایش به آنها نشان دهید.
ابتدا یک لیوان را پر از آب نمایید و یک نی در آن قرار دهید. سپس توسط یک عدد نی دیگر، هوا را به سر نی موجود در لیوان بدمید مانند شکل زیر:

قانون برنولی

مشاهده خواهید کرد که با دمیدن در نی شماره 2، آب درون نی شماره 1 بالا می آید و به صورت پودری در هوا پخش می‌شود. پس از انجام این آزمایش دلیلی برای این پدیده بیابید. می توان مثال دیگری نیز در این زمینه بیان کرد.

هنگامی که در خودرو با سرعت حرکت می‌کنید، وقتی پنجره را کمی باز می کنید، ملاحظه می کنید که هوا از داخل خودرو به بیرون مکیده می شود و اگر تکه کاغذی به نزدیک شیشه بیاورید آن را به بیرون خواهد کشید. می توان گفت دلیل این پدیده و آزمایش قبل مشابه است و از قانونی به‌نام برنولی پیروی می‌کند.

این قانون بیان می کند   که در یک سیال و در وضعیت های مختلف ثابت است. در این رابطه P، فشار سیال و p جرم حجمی آن، V سرعت جریان و z ارتفاع آن است. در صورتی که از اتفاع صرف نظر کنیم (آزمایشات را در یک ارتفاع ثابت سیال انجام دهیم)، رابطه به صورت زیر در می آید:

P نیز در سیالات ثابت است، مثلاً در آب برابر 1000 ^Kg/_m3  می باشد. حال با توجه به قانون برنولی می‌توانیم آزمایش انجام شده را توجیه نماییم. وقتی با نی شماره 2 هوا را می دمیم، باعث می‌شودسرعت جریان هوا در سر نی 1 زیاد شود و با توجه به قانون برنولی، برای اینکه مجموع   ثابت بماند، هر چه سرعت (V) بیش‌تر شود، فشار کم‌تر می‌شود، لذا کاهش فشار در نی شماره 1 باعث می‌شود که آب به بالا هدایت شود.

از این روش برای اندازه گیری سرعت نیز استفاده می شود. در اینجا از توضیح جزییات خودداری می‌کنیم، روش کلی به صورت زیر می باشد:
برای اندازه گیری سرعت با قانون برنولی، از یک مقطع همگرا – وگرا استفاده می‌کنند، مانند شکل زیر:

در شکل فوق مقطع عبور جریان در نقطه 2 کم‌تر از نقطه 1 است، لذا چون دبی آب عبوری از هر دو مقطع برابر است، سرعت آب عبوری از مقطع 2 بیش‌تر خواهد بود، لذا فشار سیال در نقطه 2، از فشار آن در نقطه 1 کم‌تر است و با اندازه گیری این اختلاف فشار، می توان سرعت جریان در مقاطع 1 و 2 را به دست آورد.
برای درک بهتر این قانون، آزمایش زیر را انجام می‌دهیم:
ابتدا توسط یک شلنگ آب، جریان آبی ایجاد کنید و یک نی تاشوی نوشابه را مطابق شکل جلوی آن قرار دهید و با باز و بسته کردن شیر، سرعت جریان را کم و زیاد کنید.

مشاهده خواهید نمود که آب درون نی بالا می آید، دلیل این پدیده همان قانون برنولی است. در نقطه 1 در ورودی نی نوشابه، سرعت صفر است (چون آب درون نی ثابت می ایستد) و در نقطه 2 که دقیقاً در کنار ورودی نی قرار دارد و آب در آن نقطه جریان دارد سرعت دارد، لذا چون در نقطه 1 سرعت صفر است، فشار آب زیاد می شود و این ازدیاد فشار باعث می شود که آب در نی به بالا هدایت شود.

مشاهده خواهید نمود که با زیاد و کم کردن سرعت جریان، سطح آب در نی، بالا و پایین می رود این نکته را مد نظر داشته باشید که اگر آب سرعت زیادی داشته باشد، آب از سر نی سرریز می‌کند و لازم است یک نی دیگر برای افزایش طول آن، به آن وصل نمایید. از دیگر وسایل موجود برای اندازه گیری دبی جریان، روتامتر می باشد. روتامتر از یک لوله مخروطی شکل با یک وزنه به صورت زیر تشکیل شده است.

روتامتر

با توجه به مبانی بیان شده از قانون برنولی، با استفاده از این قانون، نحوه کار روتامتر را تحلیل کنید.
از دیگر روش‌های اندازه گیری سرعت جریان، انداختن یک جسم شناور مانند یک تکه فوم یا یک توپ پلاستیکی در سطح جریان می‌باشد. همان‌گونه که در جلسه 2 آزمایش کردیم، سرعت جریان در کف رودخانه از سرعت آب در سطح کم‌تر است.

برای اینکه بتوانیم مقدار متوسط سرعت عبور جریان را با استفاده از این روش به دست آوریم، باید به این نکته توجه نمایید که سرعت متوسط جریان برابر است با سرعت جریان در سطح رود که از آزمایش به دست آمده  0/8 . ما نیز در این پروژه از این روش برای اندازه گیری سرعت جریان استفاده می کنیم.

تکلیف 1: به سئوال زیر و سئوالات مطرح شده در متن درس پاسخ داده و نتایج را برای ما ارسال نمایید.
_ چند پدیده که قانون برنولی در آن دخالت دارد را نام برده و تحلیل کنید.

تکلیف 2:

دبی آب خارج شده از یک شلنگ آب و دبی آب عبوری از یک جوی را به دست آورده و نتایج را برای ما ارسال نمایید.

محل بازدید/ اردو/ خرید: برای انجام تکلیف دو به محلی بروید که از تمیز بودن آب جاری در جوی آن محل مطمئن باشید، سپس دبی آب عبوری جوی را بررسی کنید.

منابع مطالعه: برای آشنایی بیشتر با قانون برنولی و دستگاه روتامتر به منابع زیر مراجعه نمایید.

_ سایت انگلیسی زبان معرفی شده شما را با قانون برنولی بیشتر آشنا خواهد کرد.

_ اطلاعات سایت ویکی پدیا شما را با دستگاه روتامتر بیشتر آشنا می سازد.