Гидравлические сопротивления и их расчет
Виды гидравлических сопротивлений
При движении жидкости в трубе между нею и стенками трубы возникают дополнительные силы сопротивлении, в результате чего частицы жидкости, прилегающие к поверхности трубы, тормозятся. Это торможение благодаря вязкости жидкости передается следующим слоям, отстоящим далее от поверхности трубы, причем скорость движения частиц по мере удаления их от оси трубы постепенно уменьшается.
Равнодействующая сил сопротивления Т направлена в сторону, противоположную движению жидкости, и параллельна направлению движения. Это и есть силы гидравлического трения (сопротивления гидравлического трения).
Для преодоления сопротивления трения и поддержания равномерного поступательного движения жидкости необходимо, чтобы на жидкость действовала сила, направленная в сторону ее движения и равная силе сопротивления, т. е. необходимо затрачивать энергию. Энергию или напор, необходимый для преодоления сил сопротивления, называют потерянной энергией или потерянным напором.
Потери напора, затрачиваемые на преодоление сопротивления трения, носят название потерь напора на трение или потерь напора по длине потока (линейные потери напора) и обозначаются обычно hтр.
Однако трение является не единственной возможной причиной, вызывающей потери напора. Резкое изменение сечения также оказывает сопротивление движению жидкости (так называемое сопротивление формы) и вызывает потери энергии. Существуют и другие причины, вызывающие потери напора, например внезапное изменение направления движения жидкости.
Потери напора, вызываемые резким изменением конфигурации границ потока (затрачиваемые на преодоление сопротивления формы), называют местными потерями напора или потерями напора на местные сопротивления и обозначаются через hм.
Таким образом, потери напора при движении жидкости складываются из потерь напора на трение и потерь на местные сопротивления, т. е.:
hS = hтр + hм.
***
Потери напора при равномерном движении жидкости в трубах
Найдем общее выражение для потерь напора на трение при равномерном движении жидкости в трубах, справедливое как для ламинарного, так и для турбулентного режимов.
При равномерном движении величина средней скорости и распределение скоростей по сечению остаются неизменными по всей длине трубопровода. Поэтому равномерное движение возможно лишь в трубах постоянного сечения S, так как в противном случае будет изменяться средняя скорость в соответствии с уравнением:
v = Q/S = const.
Равномерное движение имеет место в прямых трубах или в трубах с очень большим радиусом кривизны R (прямолинейное движение), так как в противном случае средняя скорость может изменяться по направлению.
Кроме того, условие неизменности характера скоростей жидкости по живому сечению можно записать в виде α = const, где α – коэффициент Кориолиса. Последнее условие может быть соблюдено лишь при достаточном удалении рассматриваемого участка потока от входа в трубу.
Если выделить на участке трубы с равномерно текущей жидкостью два произвольных сечения 1 и 2, то потери напора при перемещении жидкости между этими сечениями можно описать при помощи уравнения Бернулли:
z1 + p1/γ = z2 + p2/γ +hтр,
где:
z1 и z2 – перепад высот между центрами соответствующих сечений;
p1 и p2 – давление жидкости в соответствующих сечениях;
γ – удельная плотность жидкости, γ = gρ;
hтр – величина потерянной энергии (потери на трение).
Из этой формулы выразим величину потерянной энергии hтр:
hтр = (z1 + p1/γ) — (z2 + p2/γ).
Это выражение называют уравнением равномерного движения жидкости в трубопроводе. Если труба расположена горизонтально, т. е. перепад высот между ее сечениями отсутствует, то уравнение примет упрощенный вид:
hтр = p1/γ — p2/γ = (p1 – p2)/γ.
***
Формула Дарси-Вейсбаха для равномерного движения жидкости в трубах
При равномерном движении жидкости в трубах потери напора на трение по длине hл определяют по формуле Дарси-Вейсбаха, которая справедлива для круглых труб, как при турбулентном, так и при ламинарном режиме. Эта формула устанавливает зависимость между потерями напора hл, диаметром трубы d и средней скоростью потока жидкости v:
hл = λv2/2gd,
где:
λ – коэффициент гидравлического трения (величина безразмерная);
g – ускорение свободного падения.
Для труб произвольного сечения в формуле Дарси-Вейсбаха используют понятие приведенного или эквивалентного диаметра сечения трубы по отношению к круглому сечению.
В некоторых случаях используют также формулу
hл = v2l/C2R,
где:
v – средняя скорость потока в трубе или канале;
l – длина участка трубы или канала;
R – гидравлический радиус потока жидкости;
С – коэффициент Шези, связанный с коэффициентом гидравлического трения λ зависимостью: С = √(8g/λ) или λ = 8g/С2. Размерность коэффициента Шези – м1/2/с.
Для определения коэффициента гидравлического трения при различных режимах и условиях движения жидкости применяют различные способы и эмпирические зависимости, в частности, график И. И. Никурадзе, формулы П. Блазиуса, Ф. А. Шевелева (для гладких труб) и Б. Л. Шифринсона (для шероховатых труб). Все эти способы и зависимости опираются на критерий Рейнольдса Re и учитывают состояние поверхности труб.
***
Потери напора из-за местных сопротивлений
Как уже указывалось выше, местные потери напора обусловлены преодолением местных сопротивлений, создаваемых фасонными частями, арматурой и прочим оборудованием трубопроводных сетей, а также изменением направления потока жидкости (изгибы труб, колена и т. п.).
Местные сопротивления вызывают изменение величины или направления скорости движения жидкости на отдельных участках трубопровода, что связано с появлением дополнительных потерь напора.
Движение в трубопроводе при наличии местных сопротивлений является неравномерным.
Потери напора в местных сопротивлениях hм (местные потери напора) вычисляют по формуле Вейсбаха:
hм = ξv2/2g,
где:
v – средняя скорость в сечении, расположенном ниже по течению за местным сопротивлением;
ξ – безразмерный коэффициент местного сопротивления, определяемый для каждого вида местного сопротивления по справочным таблицам или установленным зависимостям.
Потери напора при внезапном расширении трубопровода находят по формуле Борда:
hвн.р. = (v1 – v2)22g = ξвн.р.1v12/2g = ξвн.р.2v22/2g,
где v1 и v2 – средние скорости течения до и после расширения.
При внезапном сужении трубопровода коэффициент местного сопротивления определяется по формуле:
hвн.с. = (1/ε — 1)2,
где ε — коэффициент сжатия струи, определяемый, как отношение площади сечения сжатой струи в узком трубопроводе к площади сечения узкой трубы. Этот коэффициент зависит от степени сжатия потока n = S2/S1 и может быть найден по формуле А. Д. Альтшуля: ε = 0,57 + 0,043/(1,1 — n).
Значение коэффициента ε при расчетах трубопроводов берут из справочных таблиц.
При резком повороте трубы круглого поперечного сечения на угол α коэффициент сопротивления можно найти по формуле:
ξα = ξ90˚(1 – cos α),
где:
ξ90˚ — значение коэффициента сопротивления для угла 90˚, которое для точных расчетов принимается по справочным таблицам, а для приближенных расчетов принимается равным ξ90˚ = 1.
Аналогичными методами осуществляют подбор или расчет коэффициентов сопротивления для других видов местных сопротивлений – резкое или постепенное сужение (расширение) трубопровода, повороты, входы и выходы из трубы, диафрагмы, запорные устройства, сварочные швы и т. п.
Приведенные выше формулы применимы для турбулентного режима движения жидкостей с большими числами Рейнольдса, когда влияние вязкости жидкости незначительно.
При движении жидкости с малыми числами Рейнольдса (ламинарный режим) величина местных сопротивлений мало зависит от геометрических характеристик сопротивления и скорости потока, на их величину большее влияние оказывает величина числа Рейнольдса.
В таких случаях для расчета коэффициентов местных сопротивлений применима формула А. Д. Альтшуля:
ξ = А/Re + ξэкв,
где:
А – нестесненное сечение трубопровода;
ξэкв – значения коэффициента местного сопротивления в квадратичной области;
Re — число Рейнольдса.
Значения параметра А и некоторых местных сопротивлений приводятся в справочных таблицах и используются при практических расчетах трубопроводов, предназначенных для движения жидкостей в ламинарном режиме.
***
Трубопроводы и их гидравлический расчет
Источник: k-a-t.ru
Коэффициент гидравлического сопротивления трубы
Это безмерная величина, показывающая, каковы потери удельной энергии.
Ламинарное перемещение рабочего потока
При ламинарном (равномерном) перемещении рабочей среды по трубопроводу круглого сечения потери давления по длине вычисляется по формуле Дарси-Вейсбаха:
Где:
— потери давления по длине;
— коэффициент гидравлического сопротивления;
v – скорость движения рабочей среды;
g – ускорение силы тяжести;
d – диаметр трубопроводной магистрали.
Практически определено, что на коэффициент гидравлического сопротивления непосредственное влияние оказывает число Рейнольдса (Re) – безмерная величина, которая характеризует поток жидкости и выражается отношением динамического давления к касательному напряжению.
Если Re меньше, чем 2300, то для расчёта применяется формула:
Для трубопроводов в форме круглого цилиндра:
Для трубопроводных коммуникаций с другим (не круглым) сечением:
Где А=57 – для квадратных труб.
Турбулентное течение рабочего потока
При турбулентном (неравномерном, беспорядочном) перемещении рабочего потока коэффициент сопротивления вычисляют опытным путём, как функцию от Re. Если необходимо определить коэффициент гидравлического сопротивления для магистрали круглого сечения с гладкими поверхностями при
, то для расчёта применяется формула Блаузиуса:
В случае турбулентного перемещения рабочей среды на величину коэффициента трения влияет число Рейнольдса (характер течения) и насколько гладкая внутренняя поверхность трубопроводной коммуникации.
Коэффициент местного сопротивления
Это безмерная величина, которая устанавливается экспериментальным путём с помощью формулы:
Где:
– коэффициент местного сопротивления;
– потеря напора;
– отношение скорости потока к ускорению силы тяжести – скоростной поток.
При неизменной скорости перемещения рабочей среды по всему сечению применяется формула:
, где
– энергия торможения.
Источник: agpipe.ru
Коэффициент гидравлического сопротивления
Гидравлические потери выражают либо в потерях напора Δh в линейных единицах столба среды, либо в единицах давления ΔP:
Δh= ΔP/(ρg)
где ρ — плотность среды, g — ускорение свободного падения.
В производственной практике перемещение жидкости в потоках связано с необходимостью преодолеть гидравлическое сопротивление трубы по длине потока, а также различные местные сопротивления:
Поворотов
Диафрагм
Задвижек
Вентилей
Кранов
Различных ответвлений и тому подобного
На преодоление местных сопротивлений затрачивается определенная часть энергии потока, которую часто называют потерей напора на местные сопротивления. Обычно эти потери выражают в долях скоростного напора, соответствующего средней скорости жидкости в трубопроводе до или после местного сопротивления.
Аналитически потери напора на местные гидравлические сопротивления выражаются в виде.
hr = ξ υ2 / (2g)
где ξ – коэффициент местного сопротивления (обычно определяется опытным путем).
Данные о значении коэффициентов различных местных сопротивлений приводятся в соответствующих справочниках, учебниках и различных пособиях по гидравлике в виде отдельных значений коэффициента гидравлического сопротивления, таблиц, эмпирических формул, диаграмм и т.д.
Исследование потерь энергии (потери напора насоса), обусловленных различными местными сопротивлениями, ведутся уже более ста лет. В результате экспериментальных исследований, проведенных в России и за рубежом в различное время, получено огромное количество данных, относящихся к разнообразнейшим местным сопротивлениям для конкретных задач. Что же касается теоретических исследований, то им пока поддаются только некоторые местные сопротивления.
В этой статье будут рассмотрены некоторые характерные местные сопротивления, часто встречающиеся на практике.
Местные гидравлические сопротивления
Как уже было написано выше, потери напора во многих случаях определяются опытным путем. При этом любое местное сопротивление похоже на сопротивление при внезапном расширении струи. Для этого имеется достаточно оснований, если учесть, что поведение потока в момент преодоления им любого местного сопротивления связано с расширением или сужением сечения.
Гидравлические потери на внезапное сужение трубы
Сопротивление при внезапном сужении трубы сопровождается образованием в месте сужения водоворотной области и уменьшения струи до размеров меньших, чем сечение малой трубы. Пройдя участок сужения, струя расширяется до размеров внутреннего сечения трубопровода. Значение коэффициента местного сопротивления при внезапном сужении трубы можно определить по формуле.
ξвн. суж = 0,5(1- (F2/F1))
Значение коэффициента ξвн. суж от значения отношения (F2/F1)) можно найти в соответствующем справочнике по гидравлике.
Гидравлические потери при изменении направления трубопровода под некоторым углом
В этом случае вначале происходит сжатие, а затем расширение струи вследствие того, что в месте поворота поток по инерции как бы отжимается от стенок трубопровода. Коэффициент местного сопротивления в этом случае определяется по справочным таблицам или по формуле
ξ поворот = 0,946sin(α/2) + 2.047sin(α/2)2
где α – угол поворота трубопровода.
Местные гидравлические сопротивления при входе в трубу
В частном случае вход в трубу может иметь острую или закругленную кромку входа. Труба, в которую входит жидкость, может быть расположена под некоторым углом α к горизонтали. Наконец, в сечении входа может стоять диафрагма, сужающая сечение. Но для всех этих случаев характерно начальное сжатие струи, а затем её расширение. Таким образом и местное сопротивление при входе в трубу может быть сведено к внезапному расширению струи.
Если жидкость входит в цилиндрическую трубу с острой кромкой входа и труба наклонена к горизонту под углом α, то величину коэффициента местного сопротивления можно определить по формуле Вейсбаха:
ξвх = 0,505 + 0,303sin α + 0,223 sin α2
Местные гидравлические сопротивления задвижки
На практике часто встречается задача расчета местных сопротивлений, создаваемых запорной арматурой, например, задвижками, вентилями, дросселями, кранами, клапанами и т.д. В этих случаях проточная часть, образуемая разными запорными приспособлениями, может иметь совершенно различные геометрические формы, но гидравлическая сущность течения при преодолении этих сопротивлений одинакова.
Гидравлическое сопротивление полностью открытой запорной арматуры равно
ξвентиля = от 2,9 до 4,5
Величины коэффициентов местных гидравлических сопротивлений для каждого вида запорной арматуры можно определить по справочникам.
Гидравлические потери диафрагмы
Процессы, происходящие в запорных устройствах, во многом похожи на процессы при истечении жидкости через диафрагмы, установленные в трубе. В этом случае также происходит сужение струи и последующее её расширение. Степень сужения и расширения струи зависит от ряда условий:
режима движения жидкости
отношения диаметров отверстия диафрагмы и трубы
конструктивных особенностей диафрагмы.
Для диафрагмы с острыми краями:
ξдиафр = d02 / D02
Местные гидравлические сопротивления при входе струи под уровень жидкости
Преодоление местного сопротивления при входе струи под уровень жидкости в достаточно большой резервуар или в среду, не заполненную жидкостью, связано с потерей кинетической энергии. Следовательно, коэффициент сопротивления в этом случае равен единице.
ξвхода = 1
Видео о гидравлическом сопротивлении
На преодоление гидравлических потерь затрачивается работа различных устройств (насосов и гидравлических машин)
Для снижения влияния гидравлических потерь рекомендуется в конструкции трассы избегать использования узлов способствующих резким изменениям направления потока и стараться применять в конструкции тела обтекаемой формы.
Даже применяя абсолютно гладкие трубы приходится сталкиваться с потерями: при ламинарном режиме течения(по Рейнольдсу) шероховатость стенок не оказывает большого влияния, но при переходе к турбулентному режиму течения как правило возрастает и гидравлическое сопротивление трубы.
Источник: www.nektonnasos.ru
В металлургическом производстве широко применяются трубопроводы для транспортировки жидкостей, газов, различных пульп и смесей. Существующие водопроводные, газопроводные, мазутопроводные, кислородные и прочие сети можно разделить на два типа: магистральные трубопроводы, подающие ту или иную среду от источника до потребителя на большие расстояния, и разветвленные сети труб, обеспечивающие распределение этой среды непосредственно потребителям.
К разряду трубопроводов относятся и разнообразные системы боровов и дымоходов, служащие для эвакуации продуктов горения из рабочего пространства металлургических печей в дымовую трубу. Форма поперечного сечения таких боровов может быть различной, однако выделять их из класса труб не следует, так как формулы, полученные для круглых труб, справедливы для каналов любого сечения, если использовать понятие гидравлического диаметра.
Все трубопроводы, не имеющие ответвлений, называются простыми, даже если они состоят из участков разного диаметра. Сети труб с разветвленными и параллельными участками получили название сложных трубопроводов.
В общем случае при расчетах трубопроводов приходится иметь дело с решением трех задач. В первой из них для заданного расположения трубопроводов, длины и диаметра труб требуется определить перепад давлений , необходимый для пропускания заданного расхода среды Q. Вторая задача — обратная первой. В ней требуется определить расход Q, если известен перепад давлений . В третьей ставится задача об определении диаметра , если все остальные параметры трубопровода известны.
Простые трубопроводы. Методика расчета гидравлического сопротивления базируется на установленных ранее фактах: энергия движущейся среды расходуется на компенсацию потерь энергии на трение, местные сопротивления и на преодоление действия геометрического давления. В простом трубопроводе все источники потерь расположены последовательно, поэтому общее гидравлическое сопротивление такого трубопровода может быть представлено их алгебраической суммой, т. е.
(8.41)
При решении первой задачи все параметры трубопровода известны; задан и расход среды. В связи с этим известными являются и скорости, по которым рассчитываются числа Рейнольдса, коэффициенты трения, коэффициенты сопротивлений, если они зависят от скорости, и по формуле (8.41) находится сумма всех сопротивлений, определяющая требуемый перепад давлений.
Вторая задача, как правило, не имеет однозначного решения, так как коэффициенты , а иногда и являются функциями числа Рейнольдса, а оно, в свою очередь, определяется расходом среды. Поэтому обычно используют метод последовательных приближений.
Третья задача в общем случае также однозначно не решается, так как в одном уравнении типа (8.41) неизвестными являются все диаметры участков трубопровода. Если же участок один и имеет длину L, то возможно графическое решение, сущность которого заключается в следующем. Задаются рядом значений диаметров трубопровода , , …, ; для каждого решают вторую задачу и строят зависимость . Поскольку расход среды задан, то, используя построенный график, можно найти искомый диаметр . При участках длиной и диаметром di третью задачу можно решить, если задать дополнительно п — 1 соотношение. Обычно на практике в качестве таких соотношений служат условия, выражающие требования минимальной стоимости трубопровода. При этом получается типичная задача оптимизации: спроектировать трубопровод, состоящий из п участков длиной таким образом, чтобы при заданном расходе потери энергии не превышали , а затраты на его сооружение и эксплуатацию были наименьшими. Методы решений таких задач выходят за рамки данного курса.
Сложные трубопроводы. В условиях производства приходится сталкиваться с большим разнообразием типов сложных трубопроводов. Однако почти все из них можно свести к сочетанию в тех или иных пропорциях трех типов сетей: параллельного соединения, кольцевого трубопровода и простой разветвленной сети.
Параллельное соединение (рис. 8.13) — это такая система, когда трубопровод в одной точке (например, A) разветвляется на п участков длиной и диаметром каждый, которые затем в другой точке (В) снова сливаются в один канал. В общем случае диаметры трубопровода до разветвления и после слияния могут быть различными.
Рис. 8.13. Схема параллельного соединения трубопроводов
Характерной особенностью параллельного соединения трубопроводов является то, что все ветви его начинаются в одном и том же сечении A, при давлении , и заканчиваются в сечении B, при давлении . Поэтому потери энергии на каждой параллельной ветви одинаковы. В силу этого, а также в предположении горизонтального расположения трубопровода, что позволяет пренебречь , можно записать для первой ветви:
(8.42)
Обозначая выражение в фигурных скобках через В1, получим для первой ветви и других:
(8.43)
Поскольку левые части всех этих соотношений одинаковы, то все неизвестные расходы можно выразить через расход первой ветви, тогда
(8.44)
Учитывая, что сумма расходов каждой ветви равна общему расходу, т.е. , получим
или
(8.45)
Определив расход , нетрудно найти и расходы по другим ветвям, используя формулы (8.44). Потери энергии при этом рассчитываются по уравнению (8.42). Поскольку при вычислениях расходы , еще неизвестны, то неизбежен метод итераций (последовательных приближений).
Коэффициенты имеют определенный физический смысл. Действительно, любой канал можно заменить отверстием с площадью , которое при протекании того же количества газа оказывает эквивалентное гидравлическое сопротивление. Площадь такого отверстия или с учетом связи (8.43) . Таким образом, коэффициент определяет площадь отверстия, которое названо эквивалентным. Используя представление об эквивалентном отверстии, можно сформулировать правило, согласно которому в системе параллельных каналов расходы, распределяются прямо пропорционально площадям эквивалентных отверстий.
Кольцевые трубопроводы наиболее типичны для шахтных печей с фурменным вводом дутья (например, доменных). Основной расчетной задачей является определение давления в условиях, когда заданы значения расхода в точках отбора (узловые расходы) , , …, , длины отдельных участков и диаметры всех труб.
Наиболее ясными становятся особенности метода расчета кольцевого трубопровода, если рассмотреть простейший случай наличия двух узловых расходов: (в точке 1) и (в точке 2) (рис. 8.14).
Определение давления в начальном сечении трубопровода затруднено тем, что неизвестны потери энергии, т. е. неизвестен путь, который проходит каждая часть общего потока, и в каком отношении эти части находятся. В связи с этим, первым шагом методики расчета гидравлического сопротивления кольцевого трубопровода является определение точки схода, т.е. той точки, в которой сходятся части общего потока , первоначально разветвляющиеся в точке A.
Рис. 8.14. Схема кольцевого трубопровода
Предположим, (см. рис. 8.14), что такой точкой является точка 2. В этом случае на участке A -1 расход составит , на участке A -2 — Q2 — и на участке 1 — 2 — . Потери энергии от магистральной узловой точки A до точки схода одинаковы по обоим направлениям "кольца", т. е. или в развернутой форме
(8.46)
В этом уравнении действием геометрического давления пренебрегли, так как трубопроводы такого рода обычно располагаются горизонтально. Поскольку второе слагаемое правой части положительно, то указанное соотношение эквивалентно неравенству
и тем более
(8.47)
Как уже указывалось ранее, расходы и параметры трубопроводов заданы, поэтому коэффициент и легко определяются. Следовательно, оценка справедливости неравенства не представляет труда. Если это неравенство верно, то точкой схода является точка 2; в противном случае точкой схода является точка 1.
После того, как решен вопрос о точке схода, искомое начальное давление определяется путем вычисления потерь энергии на более коротком пути. В условиях нашего примера . Следует иметь в виду, что для расчета этой величины необходимо знать расход на участке 1 — 2 q. Величина находится из выражения (8.46) или аналогичного ему.
В условиях металлургического производства число фурм шахтных печей (узловых расходов) колеблется от 4 до 24. Естественно, расчет в этом случае существенно усложняется. Однако принципиально методика не изменяется. И здесь первым этапом расчета является установление точки схода.
При наличии 8 фурм для определения точки схода можно использовать такой подход. Выбирают ориентировочно в качестве точки схода фурму, расположенную диаметрально противоположно магистральной узловой точке А (рис. 8.15). Предположив, что такой является фурма 4 и, учитывая, что расстояние между фурмами и параметры участков и , одинаковые, кроме точек, ближайших к точке A, можно записать:
Рис. 8.15. Схема подвода дутья к шахтной печи
(8.48)
Отбрасывание , как и ранее, приводит к неравенству (правая часть должна быть больше левой). Обычно желательно, чтобы распределение дутья по фурмам было равномерным, т.е. Поэтому, пренебрегая местным сопротивлениями, получаем
В этом неравенстве вычисляется при расходе и и т. д.
Пусть данное неравенство выполняется. Означает ли это, что фурма действительно является точкой схода? По-видимому, нет, ибо равенство не обязано быть верным — оно предположительно, и доказывает лишь то, что фурма 3 не является точкой схода. А как обстоит дело с фурмой 5? Для этого следует проверить, верно ли неравенство:
Если это неравенство выполняется совместно с предыдущим, то фурма 4 действительно является точкой схода; в противном случае такой будет фурма 5. Когда и это является неочевидным, как в данном примере, то следует проверить фурму 6 и т. д.
Расчет искомого давления ведется по любому пути от точки 0 до точки схода. При этом находится по выражению типа (8.48). На практике более важной и чаще встречающейся является обратная задача: определить распределение дутья по фурмам , если общий расход , давление в магистральной точке 0 и параметры трубопровода и заданы. Заметим, что в этом случае требуется совместно решать задачи расчета трубопровода и движения сыпучих материалов и газов в печи, так как требуется знать сопротивление истечению дутья из фурмы в слой для каждой фурмы.
Простая разветвленная сеть весьма часто встречается в металлургических цехах как элемент конструкционной схемы нагревательных печей. Это могут быть, например, газо- и воздухопроводы, служащие для подвода газа и воздуха к системе горелок печи, или, напротив, система боровов и дымовых каналов, обеспечивающая отвод продуктов сгорания от нескольких нагревательных печей к одной дымовой трубе.
Основными задачами здесь можно считать определение концевых расходов при заданном давлении в начальном сечении или определение давления при заданных концевых расходах . Очень часто приходится решать и третью задачу отыскания диаметров участков сети , когда все прочие параметры заданы.
Рассмотрим в качестве примера первую задачу, причем для простоты примем, что ответвлений всего два (рис. 8.16). Для определенности будем считать, что речь идет о подводе газа к горелкам печи.
Рис. 8.16. Схема простой разветвлённой сети
Поскольку газ подается в одну и ту же печь, то естественно, что сопротивления на ветвях и будут одинаковыми. Тогда можно записать два соотношения:
(8.49)
(8.50)
или, используя коэффициенты В,
(8.51)
(8.52)
Вычитая из первого уравнения второе, найдем
или
(8.53)
т.е. расходы и в этом случае распределяются прямо пропорционально площадям эквивалентных отверстий. Подставив теперь уравнение (8.53) в (8.51), получим
(8.54)
Заметим, что здесь, как при определении расходов, требуется итерация по и .
Легко показать, что при ответвлениях схема расчета остается прежней. Необходимо только вместо уравнения (8.53) воспользоваться соотношениями (8.44), а (8.54) заменить уравнением
. (8.55)
Простой анализ вышеприведенных формул показывает, что при одинаковых диаметрах ответвлений расходы распределяются неравномерно: чем дальше узловая точка находится от магистральной точки A, тем меньше расход . Поэтому при необходимости обеспечения равенства концевых расходов следует добиваться одинаковых площадей эквивалентных отверстий путем соответствующего подбора диаметров , степени открытия задвижек.
Из изложенного следует, что при определении давления в случае, когда концевые расходы заданы, целесообразно рассчитывать ветвь самой удаленной точки (от магистральной точки A). Требование обеспечения равенства площадей эквивалентных отверстий при одинаковых концевых расходах остается в силе и здесь.
Глава 9. ИСТЕЧЕНИЕ ГАЗОВ ИЗ ОТВЕРСТИЙ И СОПЕЛ
Истечение газов происходит при работе горелок, форсунок, при выбивании газов через отверстия в стенках печей и во многих других случаях.
Истечение газов существенно отличается от истечения жидкости. При истечении жидкости протекает простой процесс реализации запаса потенциальной энергии в кинетическую энергию потока; температура и плотность жидкости не изменяются. При истечении газов происходит одновременная реализация запаса потенциальной энергии и части внутренней энергии в кинетическую энергию, в результате чего температура и плотность газа могут претерпевать существенные изменения.
Однако если истечение газов происходит под действием очень малой разности давлений (p £ 1,1 pокр), то, как показывает опыт, плотность газов изменяется весьма незначительно, так что этим изменением плотности можно пренебречь, положив r = r0. Такой газ условно называют несжимаемым.
Источник: studopedia.ru
4.1. Виды гидравлических сопротивлений
Как уже отмечалось ранее в гл. 3, вязкость жидкости является основной причиной возникновения сопротивления движению и тем самым вызывает потерю части механической энергии, являющейся потерянной энергией.
Гидравлическими сопротивлениями можно называть силы вязкостного трения, возникающие в реальной жидкости при ее движении [6]. Сопротивления обусловливаются вязкостными силами трения и способностью самой жидкости сопротивляться изменению и восстановлению формы потока. В случае Движения идеальной жидкости силы трения отсутствуют, поэтому гидравлические сопротивления равны нулю.
Имеются два вида сопротивлений: сопротивления по длине и сопротивления местные.
Сопротивления, возникающие по длине потока жидкости, — сопротивления по длине. Для преодоления сил гидравлического трения, вектор которых направлен в обратную сторону движения потока жидкости, необходимо затратить механическую энергию. Потери механической энергии обусловлены работой сил трения. Работа сил трения по длине потока характеризуется касательными напряжениями, которые на участке длиной распределяются равномерно или достаточно равномерно.Потери напора (удельной механической энергии) по длине потока, затрачиваемые на преодоление сопротивления трения при равномерном или плавно изменяющемся неравномерном движении, называют потерями напора по длине и обозначают через .
Местными сопротивлениями называются участки потока жидкости, в которых происходит достаточно резкая деформация и средняя скорость изменяется по значению и направлению. Например, деформация связана с изменением сечения потока конечных размеров, переменой направления движения жидкости в трубопроводе. В результате деформации на местном участке имеет место достаточно резко изменяющееся неравномерное движение жидкости с вихреобразованием. Если длина участка сопротивления является весьма малой по сравнению с длиной потока, то потери напора по длине .
Потери напора, возникающие на отдельных коротких участках потока и связанные с его деформацией, называются местными потерями, обозначаются через .
Полные гидравлические потери напора при движении жидкости в трубопроводе с участками, где происходит деформация потока, можно выразить как
, (4.1)
где — потери напора по длине;— сумма местных потерь напора.
Величина механической энергии на преодоление сопротивления движению потока жидкости, связанная с работой сил трения, безвозвратно теряется потоком, переходя в тепло, которое рассеивается со временем.
На потерю напора влияет характер движения потока жидкости. Например, характер течения воды в равнинной и горной реках существенно различается, а траектории движения частиц жидкости в них кардинально различны.
4.2. Режимы движения вязкой жидкости
Характер (вид) движения жидкости изучался в 1840 — 1880 гг. в Германии Г. Хагеном и в России Д. Менделеевым. Состояние движения потока может иметь струйчатый или беспорядочный характер. Когда струйчатость нарушается, частички жидкости движутся по весьма сложным траекториям. При струйчатом течении траектория движения частички жидкости ориентирована параллельно стенкам потока конечных размеров.
Весьма обширные и обстоятельные исследования по течению жидкости в трубе были проведены в 1883 г. английским ученым О. Рейнольдсом. Лабораторная установка (рис. 4.1), на которой проводились эксперименты, состояла из бака 1, стеклянной горизонтальной трубы 2 диаметром , частично находящейся в баке. В начале трубы имелся мундштук 3 (патрубок) с плавным переходом с большого входного отверстия на отверстие трубы. На конце трубы за пределами бака находился кран 4, с помощью которого можно было регулировать расход воды и среднюю скорость в стеклянной трубе .
Рис. 4.1. Схема стенда Рейнольдса:
1 — бак; 2 — стеклянная труба; 3 — мундштук; 4 — кран;
5 — резервуар с раствором; 6 — трубочка; 7 — краник
Над баком был установлен небольшой резервуар 5, заполняемый раствором анилиновой краски. К резервуару была присоединена тонкая трубочка 6, конец которой входил в мундштук по оси трубы. Для регулирования пуска раствора краски через трубочку в стеклянную трубу имелся краник 7. Раствор анилиновой краски имел практически одинаковую плотность с водой, находящейся в баке.
Опыты заключались в том, что, открывая кран на трубе, устанавливались определенные расход и скорость . Одновременно пускался из резервуара 5 раствор краски, который выходил из трубочки 6 в трубу 2.
При достаточно малой скорости в трубе струйка раствора образовывала внутри потока воды устойчивую несмешивающуюся окрашенную тонкую струйку. Данный опыт демонстрировал существование струйчатого характера движения жидкости. Несколько увеличивая среднюю скорость, наблюдалось такое же движение окрашенной струйки.
Движение жидкости, которому соответствует устойчивый струйчатый характер, является ламинарным движением. Название движения произошло от латинского слова lamina — слой. Ламинарный режим соответствует относительно малым скоростям и слоистому движению жидкости. Частички жидкости не перемешиваются друг с другом, и линии тока параллельны оси движения потока.
Ламинарным называется движение жидкости, при котором ее частицы совершают упорядоченное движение и траектории частиц мало отличаются друг от друга, так что жидкость рассматривается как совокупность отдельных слоев, движущихся с разными скоростями, не перемешиваясь друг с другом.
Ламинарное движение может быть как установившимся, так и неустановившимся.
Открывая кран больше, увеличивая тем самым скорость, струйка приобретает некоторый волнистый характер, и местами струйка может иметь разрывы. Следовательно, в этот промежуток времени будет происходить нарушение струйчатого движения воды, чему соответствует некоторая средняя скорость . Скоростьполучила названиенижней критической скорости. При скорости будет иметь место нарушение струйчатого течения, и поток в трубе будет находиться в неустойчивом состоянии. Такой режим движения является неустойчивым.
При дальнейшем увеличении скорости потока в трубе струйка раствора исчезает. Частички этой струйки начинают перемешиваться с потоком воды. Частички раствора движутся в разном произвольном направлении, и при этом не наблюдается определенной закономерности их движения. Они имеют различные перемещения по пути движения. В результате перемешивания частиц вся масса воды, движущейся в трубе, становится несколько окрашенной. Такое движение можно считать беспорядочным. Переход движения потока в такое состояние происходит, когда скорость достигнет некоторой величины . Эта скорость называетсяверхней критической скоростью.
Движение, при котором наблюдается беспорядочный характер движения частичек жидкости по весьма сложным траекториям, является турбулентным движением, от латинского слова turbulentus — вихревой, беспорядочный.
Турбулентным называется движение жидкости, при котором ее частицы совершают неустановившиеся и неупорядоченные движения по достаточно сложным траекториям, в результате этого происходит интенсивное перемешивание различных слоев жидкости (рис. 4.2).
Рис. 4.2. Движение жидкости в трубе:
а — ламинарное; б — неустойчивое (неупорядоченное); в — турбулентное
Турбулентное движение является неустановившимся движением.
Турбулентный режим наблюдается при больших скоростях, когда средняя скорость , при этом происходит интенсивное перемешивание частиц в потоке жидкости.
Таким образом, ламинарное движение в трубе имеет место, когда , турбулентное — .
В пределах , движение являетсянеустойчивым ламинарным движением.
Малейшее возмущение потока приводит к переходу неустойчивого ламинарного режима в турбулентный. Возмущение может произойти в результате некоторого сотрясения трубы в виде толчка, наличия в потоке тела, находящегося в состоянии колебания, и т.д.
О. Рейнольдc на основании результатов опытов и использования размерностей физических величин установил, что величина критической скорости прямо пропорциональна динамической вязкости и обратно пропорциональна плотности жидкостии диаметру трубы:
где — кинематическая вязкость,;— безразмерный эмпирический коэффициент, соответствующий.
Этот коэффициент получил названиечисло Рейнольдса.
Нижней критической скорости соответствует критическое число, а верхней критической скорости— число.
Число Рейнольдса характеризует режим движения потока в трубе, движущегося со скоростью :
. (4.3)
Опыты, проведенные Рейнольдсом, подтвердили аналитические рассуждения, что ламинарный режим имеет место при , турбулентный режим, если.
На основании опытов Рейнольдса и многочисленных исследований других ученых для круглых труб критическое число Рейнольдса лежит в пределах . Для практических инженерных расчетов было принято значение. Ламинарный режим устанавливается, когда, т.е., и числусоответствует критическая скорость. Ламинарный режим на практике наблюдаетсяпри движении по трубам вязких жидкостей: минеральных масел, глицериновых смесей, мазута.
Как было установлено опытами, вполне развитое турбулентное движение имеет место при . Это значение можно принять за, при котором средняя скорость будет соответствовать верхней критической скорости(). Прибудет неустойчивый (неупорядоченный) режим движения, т.е. переходная неустойчивая критическая область течения жидкости.
Число Рейнольдса, являясь безразмерной величиной, одинаково для всех жидкостей и газов, а также диаметров трубопроводов. Однако для разных жидкостей и газов будут иметь место соответствующие критические скорости. В случае одинаковых диаметров труб и разных жидкостей критические скорости пропорциональны кинематическим вязкостям
. (4.4)
Таким образом, при определении режима движения жидкости в трубопроводе необходимо знать его диаметр, вязкость жидкости и среднюю скорость. Вычислив число Рейнольдса, сравнивают его с критическими значениями и.
Экспериментами, проведенными Рейнольдсом, а также многочисленными данными, полученными разными учеными, было установлено, что гидравлические потери напора по длине трубы зависят от средней скорости , т.е. от режима движения. Опытным путем была определена зависимость . Опыты заключались в следующем. На трубе диаметром в сечениях 1-1 и 2-2 размещались пьезометры на участке длиной (рис. 4.3). Устанавливая в трубе разные расходы, находилась средняя скорость и измерялись показания пьезометров в сечениях ,.
Разность показаний пьезометров — потери напора по длине
. (4.5)
На основании опытных данных был построен график (рис. 4.4), на котором нанесены значения критических скоростейи. На графике можно отметить следующие зоны. В зоне а при средней скорости (ламинарный режим) потери напора в трубе прямо пропорциональны скорости :
. (4.6)
Рис. 4.3. Определение потерь напора по длине трубы
Рис. 4.4. Зависимость потерь напора по длине от скорости
В зоне в, где (турбулентный режим движения), потери напора выражаются параболической функцией
, (4.7)
где — некоторый размерный коэффициент; — показатель степени.
В зоне в показатель степени с увеличением скорости изменялся от 1,75 до 2.
Между ламинарной и турбулентной зонами находится зона б неустойчивого движения, где . В этой области струйчатое движение нарушается, как и неустойчиво гидравлическое сопротивление.
За интервал времени может наблюдаться как упорядоченное (струйчатое) движение, так и беспорядочное, т.е. в этой области жидкость находится в промежуточном неустойчивом состоянии. В этой зоне не удалось получить функциональную зависимость .
Для турбулентного движения при больших скоростях и числах Рейнольдса показатель степени . Это область квадратичного сопротивления:
. (4.8)
Коэффициент В учитывает размеры трубы и ее внутреннюю шероховатость поверхности, вид жидкости, ее плотность и вязкость.
При показателе степени в пределах движение жидкости будет происходить в области доквадратичного сопротивления.
♦ Пример 4.1
Определить критическую скорость, отвечающую переходу от ламинарного режима движения к турбулентному, для трубопровода диаметром мм при движении в нем воды, минерального масла и воздуха при их температуре20°.
По таблице П 1.3 приложения находим кинематическую вязкость веществ:
вода — м2/с;
минеральное масло — м2/с;
воздух — м2/с
Считаем, что переход от ламинарного режима движения к турбулентному происходит при .
, .
Для воды м/с.
Для масла м/с.
Для воздуха м/с.
Источник: StudFiles.net