Cơ học chất lưu

Ống Venturi và dòng khí qua vật cản

Kiểm chứng bằng mắt mối quan hệ ngược chiều giữa vận tốc và áp suất (Bernoulli), và tìm ra ngưỡng số Reynolds mà tại đó dòng khí bắt đầu sinh xoáy luân phiên (đường xoáy Kármán). Đo tốc độ dòng và tiết diện ống, rồi kiểm chứng $Q = Av$ và hệ thức Bernoulli khi tổn thất nhỏ.

Đại học

Dụng cụ

Ống Venturi ảo, tỉ lệ tiết diện chỉnh được
Hầm gió ảo (mô phỏng Lattice Boltzmann D2Q9)
Ba loại vật cản: hình trụ, tấm phẳng, cánh nghiêng

Các bước tiến hành

Đo áp suất dọc ống Venturi
Thu hẹp tỉ lệ d₂/d₁ dần và quan sát mực chất lỏng trong ống đo áp suất ở họng tụt xuống. Nếu thu hẹp quá mức, áp suất về 0 và xuất hiện cảnh báo xâm thực. Đối chiếu các đại lượng quan sát được với $p + ρv²/2 + ρgh = constant$ .
Tìm ngưỡng xuất hiện đường xoáy Kármán
Với vật cản hình trụ, tăng dần số Reynolds Re từ thấp lên. Quan sát dòng khí chuyển từ êm sang có xoáy bong ra luân phiên ở khoảng Re ≈ 47. Đổi sang cánh nghiêng và để ý dòng khí lệch xuống phía sau cánh. Đối chiếu các đại lượng quan sát được với $Re = ρvD/μ$ .
Đối chiếu Bernoulli và liên tục
Trong ống Venturi, thay đổi tỉ lệ tiết diện rồi đọc áp suất ở phần rộng và họng; quan sát vận tốc tăng khi tiết diện giảm. Đối chiếu Q = Av và p + ρv²/2 + ρgh ≈ hằng số, đồng thời ghi nhận sai lệch do mô hình và tổn thất. Đối chiếu các số liệu hiển thị với $p + ρv²/2 + ρgh = constant$ .

Mô phỏng

Lịch sử thí nghiệm

Cơ học chất lưu nghiên cứu cách chất lỏng và chất khí chuyển động, từ dòng chảy trong ống đến xoáy phía sau vật cản. Daniel Bernoulli liên hệ áp suất, vận tốc và độ cao trong một cân bằng năng lượng cho dòng lý tưởng; phương trình liên tục bổ sung điều kiện bảo toàn lưu lượng. Khi chất lưu nhớt đi qua vật cản, quán tính và ma sát có thể tạo dòng tách lớp, xoáy tuần hoàn và dải xoáy Kármán ở phía sau. Số Reynolds Re = ρvD/μ so sánh tác động tương đối của quán tính và độ nhớt, nhưng ngưỡng chuyển chế độ phụ thuộc hình học và điều kiện dòng, không phải một hằng số chung cho mọi vật. Phương pháp Lattice Boltzmann mô phỏng dòng bằng cách cập nhật phân bố hạt giả trên mạng lưới, từ đó tái tạo gần đúng các cấu trúc dòng chảy. Hai mô hình trong phòng thí nghiệm phục vụ mục tiêu khác nhau: Venturi minh họa chênh áp và vận tốc, còn vật cản làm nổi bật tách dòng, xoáy và giới hạn của mô hình lý tưởng.

Nhà vật lý liên quan

Daniel Bernoulli

Chủ đề liên quan trong thư viện

Phương trình Bernoulli Phương trình liên tục Dòng chảy rối và đường xoáy Kármán