جریان سیال اهمیت بسیار زیادی در اندازه‌گیری‌های صنعتی دارد. زیرا مقدار آن بر متغیرهای دیگری مانند فشار، سطح، دما و غلظت شیمیایی اثرگذار است. به همین منظور آشنایی با مفاهیم جریان و اصول عملکرد و عوامل موثر بر انتخاب فلومترها از اهمیت ویژه‌ای برخوردار است.

انواع جریان

 سرعت آب یا هر سیال دیگر در سطح مقطع لوله ثابت نیست زیرا لزجت سیال موجب می‌شود که لایه‌ای از سیال در دیواره لوله دارای سرعت صفر باشد. لایه‌های سیال هر چه از دیواره لوله دورتر می‌شوند سرعت بیشتری پیدا می‌کنند. حداکثر سرعت، یا سرعت جریان آزاد در خط سرعت مرکزی لوله به‌دست می‌آید. ترسیم سرعت در فواصل متفاوت از دیواره، پروفیل یا گرادیان سرعت نامیده می‌شود.

 برای جریان لوله‌ها می‌توان دو پروفیل متصور شد:

  • جریان آرام
  • جریان آشفته

این دو رژیم جریان از طریق یک حالت انتقالی بینابین به هم تبدیل می‌شوند.

جریان آرام (Laminar Flow):

جریان آرام می‌تواند از سرعت پایین نشأت بگیرد. سیال در لایه‌های استوانه‌ای هم‌مرکز آرام حرکت می‌کند که سریع‌ترین لایه در محور مرکزی و کندترین لایه در دیواره لوله می‌باشد. در هر مقطع از قطر لوله، یک پروفایل سهموی برای جریان وجود دارد. در جریان آرام، تنش برشی به جهت لغزیدن یک لایه بر روی لایه‌ای دیگر به وجود می‌آید. نکته مشهودی که وجود دارد این است که آشوب‌های کوچک در جریان توسط نیروی لزجت خنثی می‌شوند. بنابراین ذرات هم‌جوار سیال در مسیرهای ضرورتاً موازی حرکت می‌کنند.

وقتی سرعت متوسط از مقدار خاصی بیشتر می‌شود، اغتشاشاتی پدیدار می‌گردند. این امر به این دلیل می‌باشد که به‌تدریج نیروهای اینرسی مشهودتر از نیروهای برشی لزجت می‌شوند و بر نیروهای برشی لزجت غلبه می‌کنند. جریان به نظر بیشتر و بیشتر نامنظم می‌گردد که این امر، جریان حالت انتقال نامیده می‌شود. در حالت انتقال بین جریان آرام و جریان آشفته، تغییر تدریجی بوده و نقطه انتقال متمایزی وجود ندارد.

جریان آشفته (Turbulent Flow):

با افزایش سرعت متوسط، جریان آشفته حاصل می‌گردد. به‌گونه‌ای که سرعت‌های عمود بر امتداد جریان وجود دارد، به‌طوری‌که ذرات جریان به‌صورت منفرد به‌طور تصادفی و نامنظم و نامنظم حرکات زیگزال و حلقوی دارند، جریان آشفته شکل می‌گیرد.

در جریان آشفته ذرات مجاور دارای حرکات تصادفی کمتر یا بیشتر نسبت به هم بوده و در مسیرهای موازی حرکت نمی‌کنند. لایه‌های جریان عملاً ناپدید گشته و سرعت در مقطع جریان یکنواخت‌ترمی گردد. دلیل این امر، حرکت عرضی اجزا سیال می‌باشد که موجب افزایش سرعت لایه‌های کندتر و کاهش سرعت لایه‌های تندترمی شود. پروفیل سرعت پهن شده و سرعت جریان آزاد در لایه‌های نزدیک‌تری به دیواره لوله مشاهده می‌گردد. به دلیل نوسانات سرعت آشفته، از میانگین زمانی متوسط سرعت برای مطالعه جریان آشفته استفاده می‌گردد. اگرچه ممکن است این نوسانات کوچک باشند، اما نقش بسیاری در ویژگی‌های جریان دارند و موجب مخلوط شدن سیال می‌گردند. حرکت ذرات در جهت عمود بر امتداد جریان به‌عنوان معادل تنش برشی عمل می‌کند که این تنش برشی ممکن است صدها برابر بزرگ‌تر از تنش برشی لزجت باشد که توسط لغزش لایه‌ها به وجود می‌آید. این امر موجب به وجود آمدن پروفیل سرعت یکنواخت‌تر و بدون پیک می‌گردد. با این وجود، به دلیل وجود اصطکاک و سرعت‌های پایین در نزدیکی دیواره، زیر لایه آرام کوچکی مابین ناحیه پروفیل سرعت پهن شده و دیواره به وجود می‌آید. در صنعت آب، جریان‌ها عموماً آشفته می‌باشند.

عدد رینولدز:

خواص جریان با عدد رینولدز بسیار مرتبط می‌باشد. عدد رینولدز، نسبت نیروهای اینرسی (رانش یا گرانش) به نیروهای لزجت (مقاومت داخلی سیال در برابر جریان) دریک سیال جاری می‌باشد. به خاطر نسبت نیرو به نیرو، این پارامتر بی‌بعد است. عدد رینولدز (Re) نشان‌گر این است که کدام نیرو در سیال در حال سیلان غالب می‌باشد. عدد رینولدز را می‌توان به سادگی، با استفاده از این رابطه محاسبه کرد:

Re=ρV D/µ

به‌طوری‌که ρ چگالی، V سرعت متوسط، D قطر لوله و µ لزجت می‌باشد. نوع جریان، یعنی آرام یا آشفته بودن، وابسته به عدد رینولدز است. مقادیر پایین رینولدز (کوچک‌تر از ۲۰۰۰) نمایانگر غلبه نیروهای لزجت در جریان می‌باشد و بنابراین جریان آرام خواهد بود. جریان با عدد رینولدز بین ۲۰۰۰ تا ۴۰۰۰ در حالت انتقال بوده و پروفیل سرعت بین حالت‌های آرام و آشفته در حال نوسان می‌باشد. در عدد رینولدز بالاتر از ۴۰۰۰ (این یک مرز مشخص نیست) نیروهای اینرسی شروع به غلبه کرده و جریان به حالت آشفته درمی‌آید و ذرات به غیر از زیر لایه‌های آرام مجاور دیواره، شروع به حرکت با سرعت یکسانی می‌کنند.

اصول عملکرد فلومترها (دبی سنج‌ها):

اندازه‌گیری جریان یکی از مهم‌ترین جنبه‌های کنترل پروسه نظارتی و در حقیقت رایج‌ترین پارامتر اندازه‌گیری فرآیند می‌باشد. دبی سنج‌ها برای تعیین مقدار سیال عبوری از لوله یا کانال انتقال به‌کار می‌روند. جریان عموماً توسط اندازه‌گیری سرعت در یک سطح مقطع مشخص محاسبه می‌گردد و متعاقب آن میزان دبی حجمی از رابطه ساده اندازه می‌آید که در این رابطه همان‌طور که مشاهده می‌شود دو پارامتر سطح مقطع لوله و سرعت سیال تأثیرگذارند. (QV=A*V)

عمده عوامل مؤثر بر دبی عبوری از یک لوله عبارت است از ۱) سرعت سیال، ۲) اصطکاک موجود در سر راه عبور سیال در تماس با لوله، ۳) ویسکوزیته و ۴) دانسیته سیال.

سرعت سیال به هد فشار بستگی داشته و توسط نیروی جریان رانشی درون لوله ایجاد می‌شود. هد فشار بیشتر عامل ایجاد دبی افزون‌تر و متعاقباً دبی حجمی بزرگ‌تر است. اندازه لوله نیز بر دبی جریان مؤثر است برای مثال دو برابر کردن قطر لوله دبی جریان را چهار برابر می‌کند. اصطکاک در لوله باعث کاهش دبی سیال درون لوله شده و لذا به‌عنوان یک فاکتور منفی در نظر گرفته می‌شود و همواره باید توجه داشته باشیم اصطکاک دبی سیال در نزدیکی دیواره لوله را کاهش می‌دهد، لوله صاف و تمیز باعث کاهش تأثیر اصطکاکی بر دبی سیال می‌شود.

عوامل مؤثر بر انتخاب فلومترها (دبی سنج‌ها):

از مهم‌ترین عوامل مؤثر بر انتخاب دبی سنج‌ها، دقت و اطمینان‌پذیری آن‌ها می‌باشد، اندازه‌گیری غیر دقیق منجر به خسارت به تجهیزات و محصولات کارخانه می‌شود و با اندازه‌گیری دقیق می‌توان مقدار توزیع و یا ترکیب سیالات را مشخص کرده و دقیقاً سود و زیان تولید را محاسبه کرد.

دبی سنج‌ها در دو نوع اساسی تقسیم‌بندی می‌شوند: دبی سنج‌هایی که در مسیر جریان می‌باشند و دبی سنج‌هایی که از لوله منشعب شده‌اند. انتخاب دبی سنج مناسب مستلزم شناخت شرایط عملیاتی فرآیند و نیازمندی‌های عملکرد بهینه تجهیزات از قبیل ملاحظات فنی و مختصات نصب است. شرایط عملیاتی فرآیندها نیز شامل مواردی چون تخمین دبی حداکثر و حداقل فرآیند، دما و فشار عملکرد و خواص فیزیکی اعم از ویسکوزیته، دانسیته، فرسایش و خوردگی می‌باشند. از معیارهای دیگر انتخاب دبی سنج‌ها در فرآیندها توجه به مزایا و عیوب آن‌ها می‌باشد. مزایا و عیوب دبی سنج‌ها براساس معیارهایی چون دقت، قابل‌اعتماد بودن، قیمت خرید، هزینه نصب، هزینه مالکیت، سهولت استعمال، قابلیت اندازه‌گیری دبی مایع، بخار و گاز (بسته به پروسه در دست مترینگ)، محدودیت پذیری، تکرار پذیری، قابلیت نگهداری، حساسیت به لرزش، افت فشار، وجود اندازه‌های مختلف و غیره می‌باشد.

 در هر حال باید دانست هر دبی سنج، دارای یک سری مشخصه‌ها و مزایای خاص خوداست و با پیشرفت در تولید مواد و ارتقا فرایندهای مترولوژی، مطالبات جدیدی به روی این‌گونه وسایل گشوده است.

برای داشتن يک اندازه گيری صحيح،لازم است كه سيال ، جامدات یا حتي گازهای پراكنده در داخل سيال همگن بوده و به عنوان سيال تک فاز عمل كند. یعنی حركت نسبی بين اجزای آن وجود نداشته باشد .

پارامتر‌ها و ویژگی‌های هیدرولیکی که در فلومتر‌ها دارای اهمیت هستند، به شرح زیر می‌باشند:

  • فشار – نیرو بر واحد سطح
  • چگالی (ρ) – جرم در واحد حجم
  • لزجت µ – مقاومت سیال در برابر سیلان
  • سرعت ν- سرعت جریان سیال
  • سطح جریان – سطح جریان بدون مایع
  • دما – دمای سیال
  • رسانایی الکتریکی
  • سرعت صوت
  • رسانایی صوتی

فشار – نیرو بر واحد سطح

فشار یکی از مهم‌ترین پارامترهای هیدرولیکی در شبکه‌های آب‌رسانی است. در تمامی سیالات جریان به دلیل وجود اختلاف سطح، فشار به وجود می‌آید. همچنین بعضی از فلومترها از اختلاف فشار در دو سوی یک مانع جهت اندازه‌گیری جریان استفاده می‌کنند. فشار جزء مهمی از اجزا استاتیک انرژی هر سیال است.

چگالی (ρ) – جرم در واحد حجم

وقتی‌که اندازه‌گیری انتقال جرم مطرح است چگالی سیال، مورد نیاز می‌باشد. چگالی بر طبیعت جریان و رفتار سیال تأثیر گذاشته و به‌منظور اندازه‌گیری بسیاری از پارامترهای دیگر سیال نیز بکار می‌رود.

لزجت µ – مقاومت سیال در برابر سیلان

لزجت عامل مقاومت سیال در برابر جریان است. لزجت یا وسکوزیته بر طبیعت جریان و رفتار سیال تأثیر گذاشته و به‌منظور اندازه‌گیری بسیاری از پارامترهای دیگر سیال نیز بکار می‌رود. لزجت سیال موجب نیروهای برشی می‌گردد که در سرعت‌های پایین بسیار آشکارا نقش خود را نشان می‌دهند. لزجت باعث می‌گردد که جریان سیال در لایه‌های مرزی دیواره‌های ثابت نظیر سطح لوله‌های به صفر برسد.

سرعت ν- سرعت جریان سیال

در مکانیک سیالات ν سرعت میانگین سطح جریان می‌باشد.

سطح جریان – سطح جریان بدون مایع

دقت در اندازه‌گیری سطح جریان نقش مهمی در دقت سنجش جریان دارد. به عنوان مثال ۲ سانتی‌متر خطا در اندازه‌گیری قطر یک لوله به قطر ۲۰۰ میلی‌متر باعث حدود ۲ درصد تغییر در محاسبه سطح می‌گردد. بنابراین تغییر قطر احتمالی در قطر لوله به دلیل خوردگی و فرسایش یا رسوب‌گذاری باید مورد توجه قرار گیرد.

دما – دمای سیال

تغییرات دما موجب تغییر در لزجت، چگالی و فشار سیال می‌شود که هر کدام می‌تواند موجب خطای اندازه‌گیری گردند. این مسئله در آب‌رسانی شهری چندان مورد اهمیت نیست مگر آن‌که دمای آب با محدوده دمای کاری فلومتر فاصله قابل‌توجهی پیدا کند که در این صورت می‌تواند باعث خطای اندازه‌گیری و یا آسیب فیزیکی به قطعات فلومتر گردد.

رسانایی الکتریکی

به توانایی سیال در هدایت جریان الکتریسیته، رسانایی می‌گویند. آب خالص رسانا نیست ولی آب موجود در شبکه آب‌رسانی به دلیل مواد محلول قابلیت رسانایی می‌یابد. رسانایی آب در برخی مکانیزم‌های اندازه‌گیری جریان نظیر مکانیزم الکترومغناطیسی اهمیت اساسی دارد.

سرعت صوت

سرعت صوت درون مایعات و به‌ویژه آب، بالاتر از سرعت صوت در گازها است.

رسانایی صوتی

به توانایی سیال در هدایت صوت گفته می‌شود که این خصوصیت عموماً در صنعت آب کاربرد دارد.

 

سایر مقالات:
فلومتر الکترومغناطیسی (دبی سنج الکترومغناطیسی)
فلومتر التراسونیک (دبی سنج التراسونیک)
مفاهیم اندازه‌گیری در فلومتر (دبی سنج)