<< Пред. стр. 6 (из 8) След. >>
Список литературы по разделу
Последнюю формулу можно переписать в виде:
или .
С учетом того, что на основании уравнения неразрывности потока , те же потери напора можно представить в виде:
или .
Сравнивая последние выражения с формулой Вейсбаха , можно выделить выражения для коэффициента местного сопротивления при внезапном расширении потока:
, если определять по скорости ;
, если определять по скорости .
Внезапное сужение потока
При внезапном сужении, так же как и при внезапном расширении потока, создаются пространства с завихрениями вращающейся жидкости, которые образуются в пристенном пространстве широкой части трубы. Такие же завихрения образуются в начале узкой части трубы за счёт того, что при входе в неё (узкую часть) жидкость продолжает некоторое время двигаться по инерции в направлении центра трубы, и основное русло потока ещё некоторое время продолжает сужаться. Следовательно, при внезапном сужении потока возникает как - бы два подряд идущих местных сопротивления. Местное сопротивление за счёт сужения основного русла и сразу же за ним местное расширение, уже рассмотренное выше. С учётом этого потери напора при внезапном сужении примут вид
;
где - коэффициент местного сопротивления за счёт сужения потока,
- средняя скорость потока в самом узком месте основного русла (в сечении у),
- средняя скорость потока в сечении 2.
Для практических расчётов чаще всего пользуются следующей полуэмпирической формулой:
,
где - степень сужения трубы.
Постепенное расширение потока
Постепенное расширение трубы называется диффузором. Движение жидкости в диффузоре сопровождается уменьшением скорости и повышением давления. Частицы жидкости движутся вперёд, в сторону более высокого давления, по инерции за счёт своей кинетической энергии, которая уменьшается по направлению движения. Кроме того, за счёт расширения трубы частицы жидкости движутся не только вдоль оси потока, но и в направлении от оси к стенкам. В каком-то сечении инерция жидкости уменьшается до такой степени, что её не хватает для преодоления повышающегося давления. Тогда такие частицы жидкости останавливаются или даже начинают двигаться в обратном направлении. В результате возникают вихревые потоки и потоки, отрывающиеся от стенки. Эти явления зависят от скорости и интенсивности расширения потока. Кроме того, в диффузоре происходят обычные потери на трение, подобные потерям по длине в трубах постоянного сечения. Таким образом, потери энергии в диффузоре складываются из потерь на трение по длине и потерь на вихреобразование за счёт расширения:
.
Для определения этих величин рассмотрим круглый диффузор с углом отклонения стенки от оси, равным , и параметрами, приведёнными на рисунке. Определим потери на трение на произвольном элементарном участке диффузора длиной . Увеличение радиуса диффузора на этом участке составит . С учётом этого
.
Тогда потери энергии на этом элементарном участке по формуле Дарси составят
.
Из условия постоянства расхода можно записать
.
Отсюда, выразив , получим:
,
где и - соответственно скорость жидкости и радиус диффузора
в начале произвольно выбранного участка диффузора . Их можно рассматривать, как текущие значения параметров.
Подставив полученные выражения в формулу для , получим:
.
После интегрирования по радиусу в пределах от до будем иметь:
.
Если учесть, что
,
где - степень сужения диффузора,
то формулу потерь на трение в диффузоре можно переписать в виде:
.
Второе слагаемое в формуле потерь напора в диффузоре представляет собой потери энергии на расширение потока. Эти потери похожи на потери при внезапном расширении , однако имеют несколько меньшую величину, поэтому в формулу для их определения вводят поправочный коэффициент . Численное значение этого коэффициента можно определить по формуле Идельчика:
,
или приближённо по формуле Флигнера
.
Окончательно формула для определения потерь напора в диффузоре примет вид
.
Сравнивая это выражение с формулой Вейсбаха легко выявить коэффициент потерь на местном сопротивлении, который для диффузора будет равняться:
.
Постепенное сужение потока
Такое сопротивление представляет собой коническую сходящуюся трубку - конфузор. Течение в конфузоре сопровождается постепенным увеличением скорости и одновременным снижением давления. По этой причине условия для вихреобразования на конической поверхности отсутствуют. Потери в этой части местного сопротивления происходят только за счёт трения. Вихреобразование может происходить только в узкой части трубы. Его природа аналогична природе подобного вихря при внезапном сужении потока, однако величина существенно меньше. В большинстве работ по гидравлике указывается, что эта величина столь незначительна по сравнению с потерями на трение в конической части конфузора, что ею можно пренебречь.
С учётом сказанного, величину этих потерь можно определить по формуле, вывод которой аналогичен выводу формулы потерь на трение в диффузоре. Она имеет вид:
.
Выражение для определения коэффициента потерь на трение в конфузоре будет иметь вид:
.
Внезапный поворот потока
Такое местное сопротивление, называемое обычно коленом, очень сильно влияет на потери напора. В нём происходит отрыв потока от стенки трубы и создаются две сложные вихревые зоны, в которых интенсивно теряется энергия. Степень интенсивности существенно зависит от угла поворота . Коэффициент местного сопротивления значительно возрастает с увеличением угла поворота, и его можно определить по эмпирической формуле
.
В гидросистемах подобных местных сопротивлений рекомендуется избегать.
Плавный поворот потока
Постепенный поворот трубы (отвод или закруглённое колено) значительно уменьшает вихреобразование и, следовательно, потери энергии. Величина потерь существенно зависит от отношения и угла .
Коэффициент местного сопротивления для плавного поворота можно определить по экспериментальным формулам. Для поворота под углом 900 и он равен
;
для угла поворота более 1000
;
для угла поворота менее 700
.
Лекция 15. Критерии подобия
В процессе проектирования различных гидросистем, трубопроводов, гидротехнических сооружений, гидравлических и газовых систем химических и нефтехимических предприятий нередко возникает необходимость не только математического, но и натурного моделирования. В таком случае необходимо, чтобы работа гидросистемы действующей модели соответствовала функционированию реального объекта. Это означает, что различные характеристики потоков жидкости, которые имеют место в модели и в реальной системе, должны описываться одинаковыми закономерностями, хотя их численные значения могут существенно различаться. В натурной модели они меньше (как правило) или больше (встречается реже), чем в действительности. Для этого необходимо иметь критерии, которые позволяли ли бы "масштабировать" реальную систему. Эти критерии устанавливаются в теории подобия потоков жидкости.
Основы теории подобия, геометрическое и динамическое подобие
Гидродинамическое подобие - это подобие потоков несжимаемой жидкости, включающее в себя подобие геометрическое, кинематическое и динамическое.
Из геометрии известно, что геометрическое подобие означает пропорциональность сходственных размеров и равенство соответствующих углов. В гидравлике под геометрическим подобием понимают подобие тех поверхностей, которые ограничивают потоки жидкости, Таким образом в гидравлике геометрическое подобие означает подобие русел или трубопроводов, по которым течёт жидкость.
Кинематическое подобие это подобие линий тока и пропорциональность сходственных скоростей. Это значит, что для кинематического подобия потоков требуется соблюдение геометрического подобия.
Динамическое подобие заключается в пропорциональности сил, действующих на сходственные элементы кинематически и геометрически подобных потоков, и равенство углов, характеризующих направление действия этих сил.
В потоках жидкостей (в нашем случае в трубопроводах, в гидромашинах и т.д.) обычно действуют разные силы - силы давления, силы вязкого трения, силы тяжести, инерционные силы. Соблюдение пропорциональности всех сил, действующих в потоке, означает полное гидродинамическое подобие.
На практике полное гидродинамическое подобие достигается редко, поэтому обычно приходится ограничиваться частичным (неполным) гидродинамическим подобием, при котором имеется пропорциональность лишь основных сил.
Записывается подобие следующим образом. Например, пропорциональность сил давления Р и сил трения Т, действующих в потоках I и II, можно записать в виде
.
Критерии подобия для потоков несжимаемой жидкости
Критерий подобия Ньютона
В подобных потоках силы, с которыми поток воздействует на препятствия - твердые стенки, лопасти гидромашин, обтекаемые потоком тела, и другие преграды, должны быть пропорциональны. Этими силами являются силы инерции движущейся жидкости, которые пропорциональны произведению динамического давления на преграду при площади воздействия S.
Рассмотрим, как поток жидкости наталкивается на безграничную стенку, установленную нормально к нему, и в результате, растекаясь по ней, меняет свое направление на 90°. На основании теоремы механики о количестве движения секундный импульс силы , с которой поток действует на стенку, равен:
,
где - плотность жидкости,
- секундный расход жидкости,
- средняя скорость жидкости,
- площадь воздействия струи на преграду.
Это и есть сила воздействия на преграду. Для подобных потоков I и II должно выполняться равенство
,
или
.
Последнее отношение, одинаковое для подобных потоков, называется числом Ньютона и обозначается Ne.
Критерий подобия Эйлера
Вначале рассмотрим наиболее простой случай - напорное движение идеальной жидкости, т. е. такое движение, при котором отсутствуют силы вязкости. Для этого случая уравнение Бернулли для сечений 1-1 и 2-2 будет иметь вид:
.
Из условия неразрывности потока расходы в сечениях 1-1 и 2-2 с площадями соответственно и одинаковы, а это значит, что
,
откуда
.
Подставив последнее соотношение в уравнение Бернулли, после переноса членов получим:
.
После очевидных преобразований и сокращений придём к виду
.
Если два потока геометрически подобны, то правая часть уравнения имеет одно и то же значение, следовательно, левая часть тоже одинакова, т.е. разности давлений в сечениях 1-1 и 2-2 пропорциональны динамическим давлениям:
.
Таким образом, при напорном движении идеальной несжимаемой жидкости для обеспечения гидродинамического подобия достаточно одного геометрического подобия. Безразмерная величина, представляющая собой отношение разности давлений к динамическому давлению (или разности пьезометрических высот к скоростной высоте), называется коэффициентом давления или числом Эйлера и обозначается Eu.
В случае напорного движения в приведённых уравнениях под можно понимать полное давление (на жидкость действует также сила тяжести, но в напорных потоках ее действие проявляется через давление, т. е. оно сводится лишь к соответствующему изменению давления за счёт глубины потока), т.к. при высоких давлениях величина давления, зависящая от глубины потока, несоизмеримо мала, и величина гидростатического напора практически полностью определяется избыточным давлением. Следовательно, для Eu можно записать:
,
где - разность статических напоров.
Критерий подобия Рейнольдса
Посмотрим, какому условию должны удовлетворять те же геометрически и кинематически подобные потоки для того, чтобы было обеспечено их гидродинамическое подобие при наличии сил вязкости, а, следовательно, и потерь энергии, т.е. при каком условии числа Eu будут одинаковыми для этих потоков.
Уравнение Бернулли для этого случая примет вид:
,
или по аналогии с предыдущими рассуждениями, учтя, что , можно написать
Как видно из последнего уравнения, числа Eu будут иметь одинаковые значения для рассматриваемых потоков, а сами потоки будут подобны друг другу гидродинамически при условии равенства коэффициентов сопротивления (равенство коэффициентов и для сходственных сечений двух потоков следует из их кинематического подобия). Таким образом, коэффициенты сопротивлений в подобных потоках должны быть одинаковыми, а это значит, что потери напора для сходственных участков пропорциональны скоростным напорам.
.
Рассмотрим очень важный в гидравлике случай движения жидкости - движение с трением в цилиндрической трубе, для которого коэффициент трения можно описать формулой
.
Для геометрически подобных потоков отношение одинаково, следовательно, условием гидродинамического подобия в данном случае является одинаковое значение для этих потоков коэффициента . Он выражается через напряжение трения на стенке и динамическое давление, как было установлено ранее, следующим образом:
.
Следовательно, для двух подобных потоков I и II можно записать
,
т. е. напряжения трения пропорциональны динамическим давлениям.
Учитывая закон трения Ньютона и тот факт, что в последних уравнениях , предыдущие отношения, равные k, можно выразить
где индекс у = 0 означает, что производная взята при у = 0, т. е. у стенки трубы. При этом заметим, что закон трения Ньютона применим лишь при ламинарном течении. Однако, как было показано выше, при турбулентном течении в трубах вблизи стенок образуется тонкий ламинарный слой, внутри которого справедлив закон трения Ньютона. Поэтому напряжение трения на стенке может определяться по этому закону также и при турбулентном течении.
После умножения и деления на диаметр трубы d и перегруппировки множителей получим:
.
Здесь буквой С обозначено выражение в квадратных скобках, представляющее собой безразмерный градиент скорости вблизи стенки.
Для кинематически подобных потоков величина C одинакова, поэтому после сокращения на С условие динамического подобия потоков перепишем в виде
.
или, переходя к обратным величинам
.
В этом заключается критерий подобия Рейнольдса, который можно сформулировать следующим образом: для гидродинамического подобия геометрически и кинематически подобных потоков с учетом сил вязкости требуется равенство чисел Рейнольдса, подсчитанных для любой пары сходственных сечений этих потоков.
Критерий подобия Фруда
В тех случаях, когда движение жидкости является безнапорным и происходит под действием разности нивелирных высот, условие подобия потоков описывается иначе, с помощью другого критерия подобия - числа Фруда. Этот критерий учитывает пропорциональность в отношениях сил инерции к силам тяжести. Однако для подавляющего большинства интересующих нас задач в области машиностроения этот критерий не имеет значения и рассматриваться не будет.
Заключение о подобии напорных потоков
Итак, в подобных напорных потоках имеем равенство безразмерных коэффициентов и чисел ?, ?, ?, Eu, Re, Ne. Изменение Re означает, что меняется соотношение основных сил в потоке, в связи с чем указанные коэффициенты могут также несколько меняться. Поэтому все эти коэффициенты следует рассматривать как функции Re (хотя в некоторых интервалах Re они могут оставаться постоянными).
Лекция 16. Истечение жидкости из отверстий и насадков
Истечение жидкости из отверстий и насадков (коротких трубок различной формы и сечений) характерно тем, что в этом процессе потенциальная энергия жидкости на очень коротком расстоянии и за очень короткое время превращается в кинетическую энергию струи (или капель в общем случае). При этом происходят какие-то, большие или не очень, потери напора. Подобные режимы течения жидкости возникают при вытекании жидкости из резервуаров, баков, котлов в атмосферу или пространство, заполненное жидкостью. Аналогичные явления происходят при протекании жидкости через малые отверстия и щели в направляющей, контрольной и регулирующей аппаратуре различных гидравлических систем.
Основной вопрос, на который нужно найти ответ, состоит в том, как определить расход и скорость истечения через отверстия или насадки различной формы.
Сжатие струи
При вытекании жидкости из резервуара через отверстие в тонкой стенке, диаметр которого значительно меньше размеров резервуара, а края отверстия имеют прямоугольную форму, диаметр вытекающей струи будет меньше размеров диаметра отверстия. Это происходит потому, что жидкость, вытекающая из резервуара, попадает в отверстие со всех направлений, а после прохождения отверстия направление движения всех частиц жидкости становится одинаковым. Изменение направления движения частиц жидкости в силу их инерционности мгновенно произойти не может. Поэтому сжатие струи обусловлено необходимостью постепенного изменения направления движения жидкости при прохождении отверстия. Так как размеры резервуара много больше размеров отверстия, боковые поверхности и свободная поверхность не могут оказывать влияния на направление входа жидкости в отверстие, то в этом случае наблюдается совершенное сжатие струи. Такое сжатие является наибольшим, и оно достигается на расстоянии примерно равном диаметру отверстия. Степень сжатия выражается коэффициентом сжатия :
,
где - площадь и диаметр отверстия,
- площадь и диаметр совершенно сжатой струи.
В том случае, если истечение происходит из резервуара такой формы, что его стенки влияют на траекторию движения частиц при входе в отверстие, наблюдается несовершенное сжатие струи.
Вследствие того, что боковые стенки резервуара перед отверстием формируют направление движения жидкости, струя после отверстия сжимается в меньшей степени, чем при вытекании из практически бесконечного резервуара. По этой причине меняется коэффициент сжатия струи. Формулы для определения этого сжатия для разных жидкостей и разных условий истечения - эмпирические. Например, для круглого центрального отверстия в тонкой торцовой стенке трубы и для маловязких жидкостей коэффициент сжатия можно находить по следующей эмпирической формуле в долях от коэффициента сжатия при совершенном сжатии струи
;
где ;
где, в свою очередь, - площадь отверстия,
- площадь сечения резервуара (в приведённом примере площадь поперечного сечения трубы).
Истечение через малое отверстие в тонкой стенке
Рассмотрим большой резервуар с жидкостью, из которого через малое отверстие в боковой стенке вытекает струйка. Термины "большой резервуар" и "малое отверстие" означает, что эти размеры не сказываются на изменении высоты жидкости (напора) в резервуаре при вытекании из него жидкости. Термин "тонкая стенка" означает, что после сжатия струя вытекающей жидкости не касается цилиндрической поверхности отверстия.
Рассмотрим два сечения в этом резервуаре, обозначенные индексами 0 и С. Запишем уравнение Бернулли для этих условий:
.
Для описанных условий можно считать, что движения жидкости в сечении 0 нет, следовательно, скоростной напор равен нулю. Разницей нивелирных высот, из-за их малого влияния можно пренебречь. Коэффициентом в данном случае обозначено сопротивление отверстия. Этот коэффициент учитывает потери энергии жидкости на сжатие струи и трение в струйках жидкости вблизи отверстии при формировании вытекающей струи. С учетом этого уравнение примет вид:
.
После перегруппировки членов получим
.
Выразим отсюда скорость
.
Заменим скорость отношением расхода к площади живого сечения потока и вновь перегруппируем
.
Проанализируем полученное выражение. Заметим, что индекс " с " относится к струе, и это единственный индекс, относящийся к движущейся жидкости "на выходе" рассматриваемого проходного сечения (определение приведено ниже). Опустим этот индекс. Величина - называется коэффициентом скорости. Если считать распределение скоростей в струе равномерным (), а жидкость идеальной, в которой нет потерь на трение, то коэффициент . Тогда коэффициент скорости .
Отсюда становится понятным физический смысл коэффициента скорости. Он выражает отношение действительного расхода через проходное сечение к теоретическому расходу. Действительным расходом называют расход, который на самом деле проходит через проходное сечение. Теоретический расход это такой, который мог бы протекать через проходное сечение при отсутствии потерь. Учтём, что , где - коэффициент сжатия струи. После подстановки этих обозначений в коэффициент перед знаком радикала получим . Произведение носит название коэффициент расхода. Тогда окончательно будем иметь формулу
,
или в другой форме, с учётом того, что
.
В этих формулах - разность давлений до проходного сечения и после него.
С помощью полученного выражения решается задача определения расхода для всех случаев течения жидкости под действием разности давлений. Кроме того, из данного выражения видно, что причиной течения жидкости является разность давлений. Жидкость всегда движется из области высокого давления область низкого давления. По существу приведённое выражение можно считать инженерной формой уравнения Бернулли.
При прохождении жидкости через малое отверстие происходит "смятие" струи. На немецком языке "мятие" - "drosseln". Поэтому в технике истечение через малое отверстие называют дросселированием. Гидравлический аппарат, предназначенный для дросселирования, называется дросселем, а отверстие в этом гидроаппарате называется проходным сечением.
Наиболее сложной задачей практического применения этого уравнения является определение коэффициента , значение которого зависит от степени сжатия струи и режима её течения, структуры распределения скоростей вблизи проходного сечения, которая в свою очередь зависит от формы входа в проходное сечение. Этот коэффициент определён экспериментально. Он, как и коэффициенты ? и ?, зависит от числа Рейнольдса и эти зависимости можно представить с помощью графика.
На графике буквами Reт обозначено число Рейнольдса, посчитанное по теоретической скорости, соответствующей теоретическому расходу.
С увеличением скорости истечения и связанным с этим увеличением Reт коэффициент скорости ? быстро нарастает и при Reт> ? стремится к значению ? =1,0. Это свидетельствует о значительном уменьшении гидравлического сопротивления отверстия за счёт снижения влияния вязкости.
Коэффициент сжатия струи ? с увеличением Reт уменьшается и при Reт > ? стремится к значению ? = 0,6.
Коэффициент расхода ?, являясь произведением коэффициентов ? и ?, на первом этапе растёт, достигая максимального значения ? = 0,69 при Reт ? 350, а затем плавно снижается до ? ? 0,6.
Таким образом, только за счёт коэффициента ? величина расхода уменьшается на 30 - 40 % относительно теоретически возможного.
Истечение через насадки
Насадком называется короткая трубка длиной от двух до шести диаметров, присоединённая к выходу отверстия, через которое истекает жидкость. Роль насадка может выполнять и отверстие в толстой стенке, когда диаметр отверстия значительно меньше её толщины. Насадки отличаются формой и размерами. Наиболее существенные отличия между насадками состоят в форме входного отверстия, которая, как уже отмечалось выше, может существенно влиять на величину расхода при той же самой площади проходного сечения. Простейшим насадком является цилиндрический насадок. Течение в нём может происходить в двух разных режимах. В первом случае на острых входных кромках насадка происходит совершенное сжатие струи и далее она движется, не касаясь стенок насадка. В этом случае истечение ничем не отличается от истечения через малое отверстие в тонкой стенке. Скорость при этом истечении высокая, а расход минимален.
Во втором случае, как и при истечении через отверстие в тонкой стенке, струя жидкости вначале сжимается на некотором удалении от входного сечения, образуя вихревую зону, давление в этом сечении струи становится меньше атмосферного. Далее струя постепенно расширяется и заполняет всё сечение насадка. Из-за того, что сжатия на выходе насадка нет (? = 1,0) а коэффициент расхода через такой насадок равняется
.
При этом расход жидкости через насадок при прочих равных условиях превышает расход в первом случае, а скорость жидкости становится меньше из-за более высокого сопротивления.
Ещё лучшие условия истечения наблюдаются при движении жидкости через так называемый тороидальный насадок, который обеспечивает более высокий коэффициент расхода. Его значение, в зависимости от увеличения радиуса скругления кромки, доходит до
.
Когда радиус кривизны становится больше длины насадка, насадок становится коноидальным. Коэффициент расхода в таких условиях истечения приближается к значению
.
Лекция 17. Гидравлический расчет трубопроводов
Жидкость движется по трубопроводу благодаря тому, что ее энергия в начале трубопровода (у источника гидравлической энергии) больше, чем в конце. Этот перепад (разница) уровней энергии может быть создан тем или иным способом: работой насоса, за счет разности уровней жидкости, давлением газа.
Важнейшей задачей, возникающей при проектировании множества гидросистем различного назначения, является задача определения энергетических характеристик источника гидравлической энергии. К таким системам относятся гидросистемы цехового технологического оборудования, мобильные гидрофицированные машины, системы водоснабжения и отопления и др. Источниками энергии таких гидросистем являются насосные станции, газобаллонные системы, водонапорные башни. Энергетические характеристики источника энергии - подача (расход) и давление - должны быть такими, что бы обеспечивались необходимые расход и давление на выходе системы - гидродвигателе, водопроводном кране и т.п.
Реже встречается обратная задача, когда при известных энергетических характеристиках источника энергии необходимо узнать, какими будут максимально возможный расход и давление на выходе гидросистемы.
В машиностроении приходится иметь дело чаще всего с такими трубопроводами, движение жидкости в которых создаётся работой насоса. В гидротехнике и водоснабжении, а также во вспомогательных устройствах течение жидкости происходит, как правило, за счет разности уровней давлений (разности нивелирных высот).
Простые трубопроводы постоянного сечения
Все трубопроводы могут быть разделены на простые и сложные. К простым трубопроводам относятся трубопроводы без разветвлений, а к сложным - трубопроводы, имеющие хотя бы одно разветвление (или место соединения труб).
Пусть простой трубопровод постоянного сечения расположен произвольно в пространстве, имеет общую длину l и диаметр d и содержит ряд местных сопротивлений . В начальном сечении (1-1) имеем нивелирную высоту Z1 и избыточное давление P1, а в конечном (2-2) - соответственно Z2 и P2. Скорость потока в этих сечениях вследствие постоянства диаметра трубы одинакова и равна V.
Запишем уравнение Бернулли сечений 1-1 и 2-2
;
В этом выражении - суммарные потери на трение по длине и на местных сопротивлениях на участке трубы длиной l. Потери по длине в соответствии с формулой Дарси будут
.
Потери на местных сопротивлениях в соответствии с формулой Вейсбаха составят
.
Учитывая уравнение неразрывности потока и постоянство диаметра трубы т. е. и , скоростные напоры в обеих частях можно сократить. Кроме того величины и , выражающие удельную потенциальную энергию положения, для гидросистем технологического оборудования, как уже не раз отмечалось, много меньше потенциальной энергии сжатия и отличаются они между собой очень незначительно. По этой причине в дальнейшем их можно не учитывать. Тогда уравнение Бернулли примет вид
или
.
Выразив величину через расход :
,
и подставив её в предыдущее выражение, получим
.
Введём обозначение
.
Величину - будем называть гидравлическим сопротивлением трубопровода.
С учётом этого получим
.
Последнее выражение называется характеристикой трубопровода. Эта характеристика представляет собой зависимость суммарных потерь давления (напора) от расхода в трубопроводе .
Если в трубопроводе установлены гидравлические аппараты, имеющие свои сопротивления, то их необходимо добавить к коэффициенту сопротивления трубопровода, и в результате получится суммарное гидравлическое сопротивления.
Последовательное соединение трубопроводов
Последовательный трубопровод состоит из нескольких труб различной длины и различного диаметра, соединённых между собой.
В каждом из этих трубопроводов могут иметься свои местные сопротивления. Течение в жидкости в такой трубе подчиняется следующим условиям:
* расход на всех участках трубопровода одинаков, т.е. ;
* потери давления (напора) во всём трубопроводе равны сумме потерь на каждом участке :
.
С учётом сказанного нетрудно получить уравнение для определения суммарных потерь давления, которое примет вид
,
где , , - гидравлическое сопротивление соответственно первого, второго, и третьего участков трубопровода,
- суммарное гидравлическое сопротивление всего трубопровода.
Величина суммарного сопротивления с учётом ранее полученной формулы для простых трубопроводов составит.
.
В общем случае выражение, описывающее суммарное гидравлическое сопротивление сложного трубопровода, будет выглядеть:
.
Полученное уравнение, определяющее суммарные потери давления, представляет собой характеристику сложного трубопровода, которая является суммой характеристик простых трубопроводов. Это уравнение позволяет узнать, какие энергетические характеристики должен иметь источник энергии, чтобы жидкость могла протекать по всему трубопроводу. Однако в конечной точке этой трубы энергия жидкости будет равна нулю. Если в конце трубы необходимо иметь какое-то давление (например, чтобы преодолевать нагрузку) к величине нужно добавить эту величину. Кроме того, т.к. в общем случае величина скоростного напора в начале и в конце трубопровода из-за разных диаметров различны, необходимо добавить и эту разницу к . В результате энергия, которой должен обладать источник, должна составлять
.
Если переписать это уравнение, заменив скорость жидкости отношением расхода к площади живого сечения , получим:
,
где коэффициент .
Окончательно характеристику сложного трубопровода можно записать в виде
.
Сумма в этом выражении - общее гидравлическое сопротивление сложного трубопровода.
Параллельное соединение трубопроводов
Отличительной особенностью таких трубопроводов является то, что поток жидкости делится в одной точке на несколько самостоятельных потоков, которые позже сходятся в другой точке. Каждый из этих потоков может содержать свои местные сопротивления. Наиболее часто возникающей задачей, связанной с расчётом таких трубопроводов, является определение расхода в каждой ветви. Рассмотрим движение жидкости по этим трубопроводам, считая, что потенциальная энергия положения много меньше потенциальной энергии сжатия, которая определяется давлением, и ею можно пренебречь. Если считать, что в местах разветвления и соединения трубопроводов, обозначенных буквами н и к, расход одинаков, а давления равны и , то можно записать:
и
где 1, 2, 3 - номера параллельных ветвей трубопровода,
Q1, Q2, Q3 - расходы в соответствующих ветвях,
?P1, ?P2, ?P3 - потери давления в соответствующих ветвях.
Представляя каждую из параллельных ветвей как простой трубопровод, можно записать характеристики каждой ветви:
, , .
На основании этих равенств можно получить уравнения вида:
, и .
Добавим к этим уравнениям условие равенства расходов в начале и конце разветвлённых трубопроводов и будем иметь:
.
В итоге получилась система уравнений, из которой при известной подаче жидкости от источника энергии и известных гидравлических сопротивлениях параллельно соединённых трубопроводов можно определить расходы в каждом из них. Подобную систему уравнений можно записать для любого числа параллельно соединённых труб.
Из приведённых уравнений вытекает следующее важное правило: для построения характеристик параллельного соединения нескольких трубопроводов следует сложить абсциссы (расходы) характеристик каждого из этих трубопроводов при одинаковых ординатах (потерях давления).
Разветвлённые трубопроводы
Разветвлённые трубопроводы отличаются тем, что они имеют одну общую точку, из которой расходятся разные потоки, или общую точку, в которой несколько разных потоков сходится. Этот вариант наиболее часто встречается в гидросистемах технологического оборудования, где от одной насосной станции питается сразу несколько одновременно работающих потребителей. Для разветвлённых трубопроводов, так же как и для параллельных, можно записать уравнение расходов
,
где - расходы в соответствующих ветвях.
Составим также уравнение Бернулли для любой из ветвей. Будем считать: давление в трубопроводе таково, что нивелирной высотой можно пренебречь. Примем также, что давление в конце каждой ветви (в сечении к), необходимое для преодоления нагрузки, равно . Уравнение Бернулли для сечений н и к будет выглядеть следующим образом:
,
где i - индекс, соответствующий определённой ветви.
Если считать, что рассматриваемая система трубопроводов принадлежит гидросистеме технологической машины, в которой давления в различных ветвях, как правило, составляют несколько мегапаскалей, а скорости течения жидкости по трубам чаще всего невысокие (до5 м/c), скоростным напором можно пренебречь. В самом деле, например, при скорости 1 м/c и коэффициенте кинетической энергии ? равным 2, величина скоростного напора составит 0,1 м, что при переводе в единицы давления равно 0,001МПа. С учетом этого и после обычных преобразований получим
.
Величина , в данном случае, представляет собой характеристику простого трубопровода и равна . Таким образом, для каждой ветви разветвлённого трубопровода можно написать подобное уравнение. Если добавить к ним уравнение расходов, то можно получить систему уравнений вида
.
Подобную систему уравнений можно записать для любого числа ветвей разветвлённого трубопровода. Решая её, можно определить, какой расход и какое давление должен обеспечивать источник гидравлической энергии, чтобы на выходе трубопроводов получалось заданное давление при заданном расходе.
Трубопроводы с насосной подачей жидкости
В большинстве гидравлических систем технологического оборудования в качестве источника энергии используются насосы различного принципа действия. Важнейшей задачей, которая возникает при проектировании каждой гидросистемы, является согласование работы насосной станции и системы трубопроводов, гидроаппаратов и гидромашин, входящих в её состав. Это многообразные и сложные задачи, которые подробно рассматриваются в курсах, связанных с изучением гидропривода. Здесь мы познакомимся лишь с общим принципом таких расчётов.
Для этого рассмотрим наиболее простой случай трубопровода, по которому насос перекачивает жидкость из гидробака в ёмкость или полость с заданными величинами давления и расхода. К таким ёмкостям можно отнести, например, гидроцилиндр. Нивелирными высотами, как и в предыдущих случаях, пренебрежём из-за их малости.
Запишем сначала уравнение Бернулли для сечений 2 и 3
,
где - суммарные потери давления в напорном трубопроводе (характеристика напорного трубопровода).
Теперь запишем уравнение Бернулли для сечений 0 и 1
,
где - атмосферное давление,
- суммарные потери давления во всасывающем трубопроводе (характеристика всасывающего трубопровода).
Из второго уравнения определим общий напор (энергию), которым обладает жидкость при входе в насос. Тогда второе уравнение примет вид
.
В процессе своей работы насос передаёт жидкости дополнительную энергию Hнасоса, в результате чего общий напор жидкости в сечении 2 становится равным:
,
т.е. можно записать:
.
Выделим из полученного равенства величину Hнасоса:
.
Перегруппируем члены в этом выражении:
.
Если принять, что:
* в первом слагаемом атмосферное давление P0 равно 0,
* второе слагаемое (скоростной напор на выходе из напорного трубопровода) можно переписать через расход и представить в виде , где можно считать коэффициентом скоростного напора (в этом выражении ? - площадь сечения трубопровода),
* третье слагаемое можно представить в виде суммарной характеристики всасывающего и напорного трубопровода, то последнее выражение примет вид:
.
Последнее выражение представляет собой рабочую характеристику насоса.
Построив характеристику трубопровода и характеристику насоса можно найти так называемую рабочую точку, как точку пересечения характеристик насоса и трубопровода. Это означает, что при соответствующих этой точке давлении и расходе, будет обеспечиваться работа насоса с требуемыми характеристиками. Чтобы получить другую рабочую точку нужно или изменить рабочую характеристику насоса или характеристику трубопровода. Это можно сделать различными способами, например, изменив сопротивление трубопровода или режим работы насоса.
<< Пред. стр. 6 (из 8) След. >>
Список литературы по разделу