No category

پایان نامه با واژه های کلیدی دینامیکی، دسته بندی، جنگ جهانی دوم

این نوع سرعت سنج پر کاربرد ترین دستگاه سرعت سنج مورد استفاده در شناور های امروزی است، و هم در کشتی ها و هم زیر دریایی ها مورد استفاده است. داده های اندازهگیری شده توسط این سرعت سنج مستقیما به سیستم ناوبری شناور منتقل میشود. در طول جنگ جهانی دوم از همین سیستم برای محاسبات سیستم های تسلیحاتی ناو ها در تشخیص هدف استفاده میشد .
شکل1-9: سیستم کامل سرعت سنج پیتو مربوط به یک زیر دریایی
اساس کار این سرعت سنج همانند لوله پیتو مورد استفاده در هواپیما است. معمولا پیتومتر به صورت یک لوله بلند است که از بدنه کشتی در قسمت تحتانی و وسط آن خارج میشود. معمولا به بخشی از لوله پیتو که از بدنه کشتی بیرون زده، شمشیر پیتو(Pit Sword) یا راد متر(Rod meter) میگویند.
این لوله دارای دو مجرا است: یکی مجرایی که در جهت حرکت جریان آب دریا است و فشار دینامیکی آب را اندازه میگیرد و دیگری در زاویه 90 درجه نسبت به سر لوله که برای اندازه گیری فشار استاتیکی آب دریا است. فشار دینامیکی تابعی از عمق آب و سرعت کشتی است و با اندازه گیری دیفرانسیلی فشار دینامیکی و استاتیکی توسط فشار سنج سرعت کشتی محاسبه میشود. در نسخه های اولیه این نوع سرعت سنج ها برای اندازهگیری دیفرانسیلی فشار از مانومتر های جیوهای بهره میگرفتند.[11] با پیشرفته تر شدن این سیستم ها فشار سنج های دیافراگمی و روش های اعتدال سازی فشار دینامیکی به این سیستم ها افزوده شد. [12]
شکل1-10: نحوه عملکرد سرعت سنج پیتو
1-4-فلومتر ها
همانطور که در موارد بالا مشاهده شد تمامی سرعت سنج های با مرجع آب عمل فلومتری آب را انجام میدهند. پس لازم است روش های مختلف فلومتری را نیز بررسی کنیم. فلومتر ها را با پارامتر های مختلفی دسته بندی میکنند یکی از این دسته بندی ها بر اساس مکانیزم عملکرد آنها است. فلومتر های مکانیکی همچون فلومترهای پیستونی، پروانهای، گردابی و حلزونی از حیطه بحث ما خارج بوده و در مورد آنها بحث نخواهیم کرد. تعدادی از انواع فلومتر های با ساختار اندازهگیری غیر مکانیکی را در ادامه مورد بررسی قرار خواهیم داد.
1-4-1-فلومتر های حرارتی
فلومتر های حرارتی اکثرا از ترکیب یک المان گرم شده و حسگرهای حرارتی برای اندازه گیری اختلاف بین حرارت استاتیکی و حرارت فلو متحرک بهره می گیرند و با استفاده از ظرفیت گرمایی سیال و چگالی آن سرعت آن را بدست میاورند. در این سیستم لازم است تا دمای خود سیال نیز اندازهگیری شده و در محاسبات فلومتر برای جبران سازی لحاظ شود. در صورتی که ظرفیت گرمایی و چگالی سیال ثابت باشند، خروجی این سیستم ها مستقیما فلو سیال را بدست میدهد در غیر اینصورت میبایست جبران سازی های حرارتی و فشار در رنج کاری آنها انجام شود.
شکل1-11: نحوه عملکرد فلومترهای حرارتی
پیشرفت تکنولوژی امکان ایجاد این فلومتر ها به صورت میکروسنسورهای MEMS را فراهم نموده که قادر به اندازهگیری فلو در رنج میکرو لیتر و نانو لیتر در دقیقه هستند.
فلومترهای حرارتی برای اندازهگیری جریان هوای فشرده، نیتروژن، هلیم، آرگون، اکسیژن، و گازهای بی اثر مورد استفاده است. در حقیقت جریان اکثر گازهایی که پاک و غیر خورنده باشند را میتوان با این روش اندازهگیری کرد. در صورت وجود گازهایی با خورندگی بیشتر میتوان از آلیاژهای خاص و خشک کردن گاز قبل از ورود به سیستم فلومتر برای کاهش خوردگی استفاده کرد.
امروزه از فلومترهای حرارتی برای اندازهگیری جریان گاز ها در بازه ای رو به رشد استفاده میشود. مواردی مانند واکنش های شیمیایی و مصارف انتقال حرارتی که برای دیگر انواع فلومترها اندازهگیری آنها امکان پذیر نمیباشد از این روش بهره میگیرند.
1-4-2-فلومتر های الکترو مغناطیسی
فلومترهای مغناطیسی یا اصطلاحا “مگ متر”ها به ترتیب سومین رده از نظر میزان استفاده را بعد از فلومترهای بر پایه فشار و فلومتر های حجمی (Positive Displacement) دارا هستند. اساس کار این فلومتر ها اینگونه است که یک میدان مغناطیسی را به لوله فلومتر اعمال میکنند که باعث ایجاد اختلاف پتانسیل الکتریکی متناسب با سرعت جریان و عمود بر جهت جریان میشود. اختلاف پتانسیل ایجاد شده با استفاده از الکترود های که عمود بر جریان سیال و میدان مغناطیسی قرار گرفته اند حس می شود. اصول فیزیکی که در این سیستم عمل میکنند قانون القا الکترومغناطیسی فارادی است. فلومتر های الکترو مغناطیسی نیازمند سیال هادی و لوله عایق هستند. الکترودهای در ارتباط با سیال داخل لوله نباید دچار خوردگی شوند. برخی فلومترهای الکترومغناطیسی دارای تمیز کننده داخلی میباشند.
در این فلو مترها میدان اعمال شده به صورت پالسی است که باعث حذف اثر ولتاژ ساکن در سیستم لوله ها میشود.
شکل1-12: ساختار فلومتر الکترومغناطیسی
1-4-3-فلومتر فراصوت (Ultrasonic)
این نوع فلومتر ها به دو دسته اصلی تقسیم میشوند: دسته ای که بر اساس اثر داپلر عمل میکنند و دسته ای که بر اساس زمان انتقال سیگنال عمل میکنند و این در حالیست که هر دو آنها از امواج فراصوت جهت اندازهگیری استفاده میکنند.
فلومترهای فراصوتی که بر اساس زمان انتقال عمل میکنند بازه زمانی انتقال پالس امواج فراصوت را در جهت و در خلاف جهت حرکت سیال اندازه گیری میکنند. این اختلاف زمانی نشانگر اندازه سرعت میانگین سیال در مسیر بیم امواج فراصوت است. با استفاده از دو زمان انتقال tup و tdown و فاصله بین دو فرستنده گیرنده فراصوتL و زاویه میل α داریم :
v= L/(2 Sinα) (t_up-t_down)/(t_up t_down ) and c= L/2 (t_up+t_down)/(t_up t_down )
که v سرعت میانگین سیال در مسیر امواج فراصوت و C سرعت صوت است.
شکل1-13: نحوه عملکرد فلومتر فراصوت بر اساس زمان انتقال
با استفاده از انتشار امواج فراصوت در بازه ای با پهنای بالا میتوان حجم فلو سیال را مستقل از مقطع لوله حاوی سیال محاسبه کرد.[13]
فلومترهای فراصوت داپلری از شیفت فرکانسی پدید آمده در امواج دریافتی منعکس شده از ذرات در جریان داخل سیال نسبت به فرکانس اصلی که فرستنده میفرستد برای اندازه گیری سرعت استفاده میکنند. برای اینکه اصل داپلر در این سیستم عمل کند باید چگالی قابل قبولی از مواد دارای بازتابش صوتی بالا مانند ذرات جامد یا حباب های هوا در داخل سیال موجود باشد. این در حالی است که بلعکس در سیستم زمان انتقال چنین ذراتی باعث کاهش دقت اندازه گیری می شوند. به دلیل محدودیت های موجود در مورد اجبار در وجود و یا عدم وجود ذرات داخل سیال برای دقت اندازه گیری موارد استفاده از این روش بسیار محدود شده است.
شکل1-14: فلو متر فرا صوت داپلری[14]
یکی از مزایای فلو متر های فرا صوت این است که قادر به اندازه گیری موثر و دقیق سرعت برای بازه وسیعی از سیالات هستند، مادامی که سرعت صوت در این سیال ها معلوم باشد. به عنوان مثال این فلو متر ها برای اندازه گیری هایی از گاز طبیعی گرفته تا جریان خون مورد استفاده هستند.[15] دلیل این امر آن است که این فلو متر ها هیچ ارتباطی با سیال داخل لوله ندارند و بر روی بدنه آن نصب میشوند. این سیستم ها به راحتی نیاز خود به سرویس را آشکار می کنند و با معلوم بودن سرعت صوت از روی محاسبات برای سیال و سرعتی که از گیرنده دریافت می شود و مقایسه این دو وضعیت فلو متر از نظر نیاز یا عدم نیاز به سرویس مشخص میشود.
شکل 2-15: نحوه اتصال فلو متر های فرا صوت به لوله
1-4-4-فلو متر کوریولیس (Coriolis)
این نوع از فلو متر ها با استفاده از اثر کوریولیس سرعت سیال را اندازه گیری می کنند. اساس عملکرد این سرعت سنج ها اینگونه است که یک لوله نازک که سیال در آن جریان دارد مرتعش می شود، در صورت عدم وجود جریان این ارتعاش متقارن است ولی با جریان پیدا کردن سیال داخل این لوله این ارتعاش بر اساس اثر کوریولیس به صورت نا متقارن اتفاق میافتد. میزان این اعوجاج رابطه مستقیم با سرعت سیال دارد. این نوع فلو متر می تواند بدون توجه به سیال در جریان داخل آن بسیار دقیق عمل کند.[15]
مشکلی که این نوع فلو متر دارد این است که محیط کاری آن هیچ لرزش خارجی نباید داشته باشد در غیر این صورت ارتعاش لوله متاثر از حرکت های محیطی دچار خطا میشود.
شکل1-16: نحوه ارتعاش فلو متر کوریولیس در حضور و عدم حضور جریان
1-4-5-فلومتر لیزر داپلری
اساس کار این فلو متر این است که نور لیزر در اثر برخورد با ذرات متحرک سیال دچار پراکندگی شده و طول موجهایی متناسب با سرعت ذرات ایجاد میشود که همان اثر داپلر در نور است. دقت این فلو متر ها بسیار بالا است و عملکرد آنها اینچنین است که منبع لیزر عمود بر جهت حرکت سیال تابش می شود و در طرف دیگر فوتو دیود این نور را دریافت کرده و بر اساس فرکانس های دریافتی سیگنال الکتریکی تولید میکند.
1-5-فلو متر های بر پایه فشار
چندین نوع فلومتر وجود دارد که بر اساس اصل برنولی عمل میکنند، برخی با اندازه گیری اختلاف فشار در گلوگاه یا اندازه گیری فشار استاتیکی و فشار حالت سکون و محاسبه فشار دینامیکی. در ادامه مهم ترین انواع آن را بررسی خواهیم کرد ولی در ابتدا لازم است بدانیم اصل برنولی چیست :
اصل برنولی :
در دینامیک سیالات، اصل برنولی که برای یک جریان غیر لزج صادق است بیان میکند که افزایش سرعت سیال با کاهش فشار و یا کاهش در انرژی پتانسیل سیال همراه است.[16] اصل برنولی بر اساس نام دانشمند سوییسی دنیل برنولی نام گذاری شده است. وی این اصل را در کتاب خود به نام هیدرودینامیک در سال 1738 منتشر کرده است.[17]
در جریان مایعات و بسیاری از گازها با عدد ماخ کم، چگالی سیال را بدون در نظر گرفتن تغییرات فشار در جریان می توان ثابت در نظر گرفت. این سیالات، سیالات تراکم ناپذیر نام دارند و جریان این سیالات جریان تراکم ناپذیر نامیده می شود. برنولی آزمایش های خود را بر روی مایعات انجام داده است، بنابراین معادلات برنولی در شکل اصلی خود تنها برای جریان تراکم ناپذیر معتبر هستند. فرم ساده معادله برنولی برای هر نقطه دلخواه جریان سیال به این صورت است:
v^2/2+gz+p/ρ=cte
که در آن :
v سرعت سیال در هر نقطه جریان
g شتاب جاذبه زمین
z ارتفاع سیال بالای نقطه محاسبه
p فشار در نقطه محاسبه و ρ چگالی سیال است.
1-5-1-فلو متر لوله ونتوری (Venturi Pipe)
اثر ونتوری بیانگر این است که به هنگام عبور سیال از یک گلوگاه تنگ شونده فشار سیال کاهش مییابد. اثر ونتوری به نام کاشف آن فیزیکدان ایتالیایی ونتوری ثبت شده است.
اثر ونتوری اثر جت است ، اگر یک قیف را در نظر بگیریم که سیال در آن جریان دارد با کاهش سطح مقطع عرضی قیف سرعت افزایش می یابد و بر اساس اصل برنولی، فشار استاتیکی به همان نسبت کاهش می یابد. با توجه به قوانین حاکم بر دینامیک سیالات ، سرعت یک سیال به هنگام عبور از گلوگاه منقبض شونده برای برآوردن اصل پیوستگی، باید افزایش سرعت دهد در حالی که فشار خود را باید کاهش دهد تا انرژی مکانیکی پیوسته باقی بماند. زیرا افزایش سرعت باعث افزایش انرژی جنبشی سیال میشود در حالی که انرژی مکانیکی آن پایسته است و بنابراین برای جبران افزایش انرژی جنبشی فشار باید کاهش پیدا کند. ونتوری متر با استفاده از ارتباط مستقیم بین تفاوت فشار و سرعت سیال عمل اندازه گیری سرعت را انجام میدهد.
شکل1-17: نمونه لوله ونتوری و اختلاف فشار ایجاد شده در دو بخش باریک و پهن
رابطه ونتوری در مورد افت فشار بر اثر افزایش سرعت را می توان با استفاده از اصل برنولی و معادله پیوستگی بدست آورد. برای سیالات تراکم ناپذیر مانند مایعات و گاز ها در سرعت کم افت فشار برابر است با :
p_1-p_2=ρ/2(v_2^2-v_1^2)
که در آن ρ بیانگر چگالی سیال، v1 (سرعت

این مطلب مشابه را هم بخوانید :   پایان نامه رایگان با موضوعتحلیل آماری، رگرسیون

Leave a Reply