Изменение направления потока жидкости в трубопроводе: способы и рекомендации

Изменение направления потока жидкости в трубопроводе: способы и рекомендации

В этом параграфе мы применим закон сохранения энергии к движению жидкости или газа по трубам. Движение жидкости по трубам часто встречается в технике и быту. По трубам водопровода подается вода в городе в дома, к местам ее потребления. В машинах по трубам поступает масло для смазки, топливо в двигатели и т. д. Движение жидкости по трубам нередко встречается и в природе. Достаточно сказать, что кровообращение животных и человека — это течение крови по трубкам — кровеносным сосудам. В какой-то мере течение воды в реках тоже является разновидностью течения жидкости по трубам. Русло реки — это своеобразная труба для текущей воды.

Как известно, неподвижная жидкость в сосуде согласно закону Паскаля передает внешнее давление по всем направлениям и во все точки объема без изменения. Однако, когда жидкость течет без трения по трубе, площадь поперечного сечения которой на разных участках различна, давление оказывается неодинаковым вдоль трубы. Выясним, почему давление в движущейся жидкости зависит от площади поперечного сечения трубы. Но сначала ознакомимся с одной важной особенностью всякого потока жидкости.

Предположим, что жидкость течет по горизонтально расположенной трубе, сечение которой в разных местах различное, например по трубе, часть которой показана на рисунке 207.

Если бы мы мысленно провели несколько сечений вдоль трубы, площади которых соответственно равны и измерили бы количество жидкости, протекающей через каждое из них за какой-то промежуток времени то мы обнаружили бы, что через каждое сечение протекло одно и то же количество жидкости. Это значит, что вся та жидкость, которая за время проходит через первое сечение, за такое же время проходит и через третье сечение, хотя оно по площади значительно меньше, чем первое. Если бы это было не так и через сечение площадью за время проходило, например, меньше жидкости, чем через сечение площадью то избыток жидкости должен был бы где-то накапливаться. Но жидкость заполняет всю трубу, и накапливаться ей негде.

Как же может жидкость, протекшая через широкое сечение, успеть за такое же время «протиснуться» через узкое? Очевидно, что для этого при прохождении узких частей трубы скорость движения должна быть больше, и как раз во столько раз, во сколько раз площадь сечения меньше.

Действительно, рассмотрим некоторое сечение движущегося столба жидкости, совпадающее в начальный момент времени с одним из сечений трубы (рис. 208). За время эта площадка переместится на расстояние которое равно где — скорость течения жидкости. Объем V жидкости, протекшей через сечение трубы, равен произведению площади этого сечения на длину

В единицу же времени протекает объем жидкости —

Объем жидкости, протекающей в единицу времени через сечение трубы, равен произведению площади поперечного сечения трубы на скорость течения.

Как мы только что видели, этот объем должен быть одним и тем же в разных сечениях трубы. Поэтому, чем меньше сечение трубы, тем больше скорость движения.

Сколько жидкости проходит через одно сечение трубы за некоторое время, столько же ее должно пройти за такое

же время через любое другое сечение.

При этом мы считаем, что данная масса жидкости всегда имеет один и тот же объем, что она не может сжаться и уменьшить свой объем (о жидкости говорят, что она несжимаема). Хорошо известно, например, что в узких местах реки скорость течения воды больше, чем в широких. Если обозначить скорость течения жидкости в сечениях площадями через то можно написать:

Отсюда видно, что при переходе жидкости с участка трубы с большей площадью сечения на участок с меньшей площадью сечения скорость течения увеличивается, т. е. жидкость движется с ускорением. А это по второму закону Ньютона означает, что на жидкость действует сила. Что это за сила?

Этой силой может быть только разность между силами давления в широком и узком участках трубы. Таким образом, в широком участке давление жидкости должно быть больше, чем в узком участке трубы.

Это же следует из закона сохранения энергии. Действительно, если в узких местах трубы увеличивается скорость движения жидкости, то увеличивается и ее кинетическая энергия. А так как мы приняли, что жидкость течет без трения, то этот прирост кинетической энергии должен компенсироваться уменьшением потенциальной энергии, потому что полная энергия должна оставаться постоянной. О какой же потенциальной энергии здесь идет речь? Если труба горизонтальна, то потенциальная энергия взаимодействия с Землей во всех частях трубы одна и та же и не может измениться. Значит, остается только потенциальная энергия упругого взаимодействия. Сила давления, которая заставляет жидкость течь по трубе, — это и есть упругая сила сжатия жидкости. Когда мы говорим, что жидкость несжимаема, то имеем лишь в виду, что она не может быть сжата настолько, чтобы заметно изменился ее объем, но очень малое сжатие, вызывающее появление упругих сил, неизбежно происходит. Эти силы и создают давление жидкости. Вот это сжатие жидкости и уменьшается в узких частях трубы, компенсируя рост скорости. В узких местах труб давление жидкости должно быть поэтому меньше, чем в широких.

В этом состоит закон, открытый петербургским академиком Даниилом Бернулли:

Давление текущей жидкости больше в тех сечениях потока, в которых скорость ее движения меньше, и,

наоборот, в тех сечениях, в которых скорость больше, давление меньше.

Как это ни покажется странным, но когда жидкость «протискивается» через узкие участки трубы, то ее сжатие не увеличивается, а уменьшается. И опыт хорошо это подтверждает.

Если трубу, по которой течет жидкость, снабдить впаянными в нее открытыми трубками — манометрами (рис. 209), то можно будет наблюдать распределение давления вдоль трубы. В узких местах трубы высота столба жидкости в манометрической трубке меньше, чем в широких. Это означает, что в этих местах давление меньше. Чем меньше сечение трубы, тем больше в ней скорость течения и меньше давление. Можно, очевидно, подобрать такое сечение, в котором давление равно внешнему атмосферному давлению (высота уровня жидкости в манометре будет тогда равна нулю). А если взять еще меньшее сечение, то давление жидкости в нем будет меньше атмосферного.

Такой поток жидкости можно использовать для откачки воздуха. На этом принципе действует так называемый водоструйный насос. На рисунке 210 изображена схема такого насоса. Струю воды пропускают через трубку А с узким отверстием на конце. Давление воды у отверстия трубы меньше атмосферного. Поэтому

газ из откачиваемого объема через трубку В втягивается к концу трубки А и удаляется вместе с водой.

Все сказанное о движении жидкости по трубам относится и к движению газа. Если скорость течения газа не слишком велика и газ не сжимается настолько, чтобы изменялся его объем, и если, кроме того, пренебречь трением, то закон Бернулли верен и для газовых потоков. В узких частях труб, где газ движется быстрее, давление его меньше, чем в широких частях, и может стать меньше атмосферного. В некоторых случаях для этого даже не требуется трубы.

Можно проделать простой опыт. Если дуть на лист бумаги вдоль его поверхности, как показано на рисунке 211, можно увидеть, что бумага станет подниматься вверх. Это происходит из-за понижения давления в струе воздуха над бумагой.

Такое же явление имеет место при полете самолета. Встречный поток воздуха набегает на выпуклую верхнюю поверхность крыла летящего самолета, и за счет этого происходит понижение давления. Давление над крылом оказывается меньше, чем давление под крылом. Именно поэтому возникает подъемная сила крыла.

1. Допустимая скорость течения нефти по трубам равна 2 м/сек. Какой объем нефти проходит через трубу диаметром 1 м в течение 1 ч?

2. Измерьте количество воды, вытекающей из водопроводного крана за определенное время Определите скорость течения воды, измерив диаметр трубы перед краном.

3. Каким должен быть диаметр трубопровода, по которому должно протекать воды в час? Допустимая скорость течения воды 2,5 м/сек.

Самостоятельный гидравлический расчет трубопровода

Постановка задачи

Гидравлический расчёт при разработке проекта трубопровода направлен на определение диаметра трубы и падения напора потока носителя. Данный вид расчёта проводится с учетом характеристик конструкционного материала, используемого при изготовлении магистрали, вида и количества элементов, составляющих систему трубопроводов(прямые участки, соединения, переходы, отводы и т. д.), производительности,физических и химических свойств рабочей среды.

Многолетний практический опыт эксплуатации систем трубопроводов показал, что трубы, имеющие круглое сечение, обладают определенными преимуществами перед трубопроводами, имеющими поперечное сечение любой другой геометрической формы:

  • минимальное соотношением периметра к площади сечения, т.е. при равной способности, обеспечивать расход носителя, затраты на изолирующие и защитные материалы при изготовлении труб с сечением в виде круга, будут минимальными;
  • круглое поперечное сечение наиболее выгодно для перемещения жидкой или газовой среды сточки зрения гидродинамики, достигается минимальное трение носителя о стенки трубы;
  • форма сечения в виде круга максимально устойчива к воздействию внешних и внутренних напряжений;
  • процесс изготовления труб круглой формы относительно простой и доступный.

Подбор труб по диаметру и материалу проводится на основании заданных конструктивных требований к конкретному технологическому процессу. В настоящее время элементы трубопровода стандартизированы и унифицированы по диаметру. Определяющим параметром при выборе диаметра трубы является допустимое рабочее давление, при котором будет эксплуатироваться данный трубопровод.

Основными параметрами, характеризующими трубопровод являются:

  • условный (номинальный) диаметр – DN;
  • давление номинальное – PN;
  • рабочее допустимое (избыточное) давление;
  • материал трубопровода, линейное расширение, тепловое линейное расширение;
  • физико-химические свойства рабочей среды;
  • комплектация трубопроводной системы (отводы, соединения, элементы компенсации расширения и т.д.);
  • изоляционные материалы трубопровода.

Условный диаметр (проход) трубопровода (DN) – это условная безразмерная величина, характеризующая проходную способность трубы, приблизительно равная ее внутреннему диаметру. Данный параметр учитывается при осуществлении подгонки сопутствующих изделий трубопровода (трубы, отводы, фитинги и др.).

Условный диаметр может иметь значения от 3 до 4000 и обозначается: DN 80.

Условный проход по числовому определению примерно соответствует реальному диаметру определенных отрезков трубопровода. Численно он выбран таким образом, что пропускная способность трубы повышается на 60-100% при переходе от предыдущего условного прохода к последующему.Номинальный диаметр выбирается по значению внутреннего диаметра трубопровода. Это то значение, которое наиболее близко к реальному диаметру непосредственно трубы.

Давление номинальное (PN) – это безразмерная величина, характеризующая максимальное давление рабочего носителя в трубе заданного диаметра, при котором осуществима длительная эксплуатация трубопровода при температуре 20°C.

Значения номинального давления были установлены на основании продолжительной практики и опыта эксплуатации: от 1 до 6300.

Номинальное давление для трубопровода с заданными характеристиками определяется по ближайшему к реально создаваемому в нем давлению. При этом,вся трубопроводная арматура для данной магистрали должна соответствовать тому же давлению. Расчет толщины стенок трубы проводится с учетом значения номинального давления.

Основные положения гидравлического расчета

Рабочий носитель (жидкость, газ, пар), переносимый проектируемым трубопроводом, в силу своих особых физико-химических свойств определяет характер течения среды в данном трубопроводе. Одним из основных показателей характеризующих рабочий носитель, является динамическая вязкость, характеризуемая коэффициентом динамической вязкости – μ.

Инженер-физик Осборн Рейнольдс (Ирландия), занимавшийся изучением течения различных сред, в 1880 году провел серию испытаний, по результату которых было выведено понятие критерия Рейнолдса (Re) – безразмерной величины, описывающей характер потока жидкости в трубе. Расчет данного критерия проводится по формуле:

Критерий Рейнольдса (Re) дает понятие о соотношении сил инерции к силам вязкого трения в потоке жидкости. Значение критерия характеризует изменение соотношения указанных сил, что, в свою очередь, влияет на характер потока носителя в трубопроводе. Принято выделять следующие режимы потока жидкого носителя в трубе в зависимости от значения данного критерия:

  • ламинарный поток (Re 4000) – устойчивый режим, при котором в каждой отдельной точке потока происходит изменение его направления и скорости, что в итоге приводит к выравниванию скорости движения потока по объему трубы.
Читайте также:  Сип-панели для строительства: уютный дом быстро и надежно

Критерий Рейнольдса зависит от напора, с которым насос перекачивает жидкость, вязкости носителя при рабочей температуре и геометрических размеров используемой трубы (d, длина). Данный критерий является параметром подобия для течения жидкости,поэтому, используя его, можно осуществлять моделирование реального технологического процесса в уменьшенном масштабе, что удобно при проведении испытаний и экспериментов.

Проводя расчеты и вычисления по уравнениям, часть заданных неизвестных величин можно взять из специальных справочных источников. Профессор, доктор технических наук Ф. А. Шевелев разработал ряд таблиц для проведения точного расчета пропускной способности трубы. Таблицы включают значения параметров, характеризующих как сам трубопровод (размеры, материалы), так и их взаимосвязь с физико-химическими свойствами носителя. Кроме того, в литературе приводится таблица приближенных значений скоростей движения потока жидкости, пара,газа в трубе различного сечения.

Подбор оптимального диаметра трубопровода

Определение оптимального диаметра трубопровода – это сложная производственная задача, решение которой зависит от совокупности различных взаимосвязанных условий (технико-экономические, характеристики рабочей среды и материала трубопровода, технологические параметры и т.д.). Например, повышение скорости перекачиваемого потока приводит к уменьшению диаметра трубы, обеспечивающей заданный условиями процесса расход носителя, что влечет за собой снижение затрат на материалы, удешевлению монтажа и ремонта магистрали и т.д. С другой стороны, повышение скорости потока приводит к потере напора, что требует дополнительных энергетических и финансовых затрат на перекачку заданного объема носителя.

Значение оптимального диаметра трубопровода рассчитывается по преобразованному уравнению неразрывности потока с учетом заданного расхода носителя:

При гидравлическом расчете расход перекачиваемой жидкости чаще всего задан условиями задачи. Значение скорости потока перекачиваемого носителя определяется, исходя из свойств заданной среды и соответствующих справочных данных (см. таблицу).

Преобразованное уравнение неразрывности потока для расчета рабочего диаметра трубы имеет вид:

Расчет падения напора и гидравлического сопротивления

Полные потери напора жидкости включают в себя потери на преодоление потоком всех препятствий: наличие насосов, дюкеров, вентилей, колен, отводов, перепадов уровня при течении потока по трубопроводу, расположенному под углом и т.д. Учитываются потери на местные сопротивления, обусловленные свойствами используемых материалов.

Другим важным фактором, влияющим на потери напора, является трение движущегося потока о стенки трубопровода, которое характеризуется коэффициентом гидравлического сопротивления.

Значение коэффициента гидравлического сопротивления λзависит от режима движения потока и шероховатости материала стенок трубопровода. Под шероховатостью понимают дефекты и неровности внутренней поверхности трубы. Она может быть абсолютной и относительной. Шероховатость различна по форме и неравномерна по площади поверхности трубы. Поэтому в расчетах используется понятие усредненной шероховатости с поправочным коэффициентом (k1). Данная характеристика для конкретного трубопровода зависит от материала, продолжительности его эксплуатации, наличия различных коррозионных дефектов и других причин. Рассмотренные выше величины являются справочными.

Количественная связь между коэффициентом трения, числом Рейнольдса и шероховатостью определяется диаграммой Муди.

Для вычисления коэффициента трения турбулентного движения потока также используется уравнение Коулбрука-Уайта, с использованием которого возможно наглядное построение графических зависимостей, по которым определяется коэффициент трения:

В расчётах используются и другие уравнения приблизительного расчета потерь напора на трение. Одним из наиболее удобных и часто используемых в этом случае считается формула Дарси-Вейсбаха. Потери напора на трение рассматриваются как функция скорости жидкости от сопротивления трубы движению жидкости, выражаемой через значение шероховатости поверхности стенок трубы:

Потери давления по причине трения для воды рассчитывают по формуле Хазена — Вильямса:

Расчет потерь давления

Рабочее давление в трубопроводе – это на большее избыточное давление, при котором обеспечивается заданный режим технологического процесса. Минимальное и максимальное значения давления, а также физико-химические свойства рабочей среды, являются определяющими параметрами при расчёте расстояния между насосами, перекачивающими носитель, и производственной мощности.

Расчет потерь на падение давления в трубопроводе осуществляют по уравнению:

Примеры задач гидравлического расчета трубопровода с решениями

Задача 1

В аппарат с давлением 2,2 бар по горизонтальному трубопроводу с эффективным диаметром 24 мм из открытого хранилища насосом перекачивается вода. Расстояние до аппарата составляет 32 м. Расход жидкости задан – 80 м 3 /час. Суммарный напор составляет 20 м. Принятый коэффициент трения равен 0,028.

Рассчитайте потери напора жидкости на местные сопротивления в данном трубопроводе.

Исходные данные:

Расход Q = 80 м 3 /час = 80·1/3600 = 0,022 м 3 /с;

эффективный диаметр d = 24 мм;

длина трубы l = 32 м;

коэффициент трения λ = 0,028;

давление в аппарате Р = 2,2 бар = 2,2·10 5 Па;

общий напор Н = 20 м.

Решение задачи:

Скорость потока движения воды в трубопроводе рассчитывается по видоизмененному уравнению:

w=(4·Q) / (π·d 2 ) = ((4·0,022) / (3,14·[0,024] 2 )) = 48,66 м/с

Потери напора жидкости в трубопроводе на трение определяются по уравнению:

HТ = (λ·l) / (d·[w 2 /(2·g)]) = (0,028·32) / (0,024·[48,66] 2 ) / (2·9,81) = 0,31 м

Общие потери напора носителя рассчитываются по уравнению и составляют:

Потери напора на местные сопротивления определяется как разность:

Ответ: потери напора воды на местные сопротивления составляют 7,45 м.

Задача 2

По горизонтальному трубопроводу центробежным насосом транспортируется вода. Поток в трубе движется со скоростью 2,0 м/с. Общий напор составляет 8 м.

Найти минимальную длину прямого трубопровода, в центре которого установлен один вентиль. Забор воды осуществляется из открытого хранилища. Из трубы вода самотеком изливается в другую емкость. Рабочий диаметр трубопровода равен 0,1 м. Относительная шероховатость принимается равной 4·10 -5 .

Исходные данные:

Скорость потока жидкости W = 2,0 м/с;

диаметр трубы d = 100 мм;

общий напор Н = 8 м;

относительная шероховатость 4·10 -5 .

Решение задачи:

Согласно справочным данным в трубе диаметром 0,1 м коэффициенты местных сопротивлений для вентиля и выхода из трубы составляют соответственно 4,1 и 1.

Значение скоростного напора определяется по соотношению:

w 2 /(2·g) = 2,0 2 /(2·9,81) = 0,204 м

Потери напора воды на местные сопротивления составят:

Суммарные потери напора носителя на сопротивление трению и местные сопротивления рассчитываются по уравнению общего напора для насоса (геометрическая высота Hг по условиям задачи равна 0):

Полученное значение потери напора носителя на трение составят:

Рассчитаем значение числа Рейнольдса для заданных условий течения потока (динамическая вязкость воды принимается равной 1·10 -3 Па·с, плотность воды – 1000 кг/м 3 ):

Re = (w·d·ρ)/μ = (2,0·0,1·1000)/(1·10 -3 ) = 200000

Согласно рассчитанному значению Re, причем 2320 0,25 = 0,316/200000 0,25 = 0,015

Преобразуем уравнение и найдем требуемую длину трубопровода из расчетной формулы потерь напора на трение:

l = (Hоб·d) / (λ·[w 2 /(2g)]) = (6,96·0,1) / (0,016·0,204) = 213,235 м

Ответ:требуемая длина трубопровода составит 213,235 м.

Задача 3

В производстве транспортируют воду при рабочей температуре 40°С с производственным расходом Q = 18 м 3 /час. Длина прямого трубопровода l = 26 м, материал – сталь. Абсолютная шероховатость (ε) принимается для стали по справочным источникам и составляет 50 мкм. Какой будет диаметр стальной трубы, если перепад давления на данном участке не превысит Δp = 0,01 мПа (ΔH = 1,2 м по воде)? Коэффициент трения принимается равным 0,026.

Исходные данные:

Расход Q = 18 м 3 /час = 0,005 м 3 /с;

длина трубопровода l=26 м;

для воды ρ = 1000 кг/м 3 , μ = 653,3·10 -6 Па·с (при Т = 40°С);

шероховатость стальной трубыε = 50 мкм;

коэффициент трения λ = 0,026;

Решение задачи:

Используя форму уравнения неразрывности W=Q/F и уравнение площади потока F=(π·d²)/4 преобразуем выражение Дарси – Вейсбаха:

∆H = λ·l/d·W²/(2·g) = λ·l/d·Q²/(2·g·F²) = λ·[(l·Q²)/(2·d·g·[(π·d²)/4]²)] = =(8·l·Q²)/(g·π²)·λ/d 5 = (8·26·0.005²)/(9,81·3,14²)· λ/d 5 = 5,376·10 -5 ·λ/d 5

d 5 = (5,376·10 -5 ·λ)/∆H = (5,376·10 -5 ·0,026)/1,2 = 1,16·10 -6

d = 5 √1,16·10 -6 = 0,065 м.

Ответ: оптимальный диаметр трубопровода составляет 0,065 м.

Задача 4

Проектируются два трубопровода для транспортировки невязкой жидкости с предполагаемой производительностью Q1 = 18 м 3 /час и Q2 = 34 м 3 /час. Трубы для обоих трубопроводов должны быть одного диаметра.

Определите эффективный диаметр труб d, подходящих под условия данной задачи.

Исходные данные:

Решение задачи:

Определим возможный интервал оптимальных диаметров для проектируемых трубопроводов, воспользовавшись преобразованным видом уравнения расхода:

Значения оптимальной скорости потока найдем из справочных табличных данных. Для невязкой жидкости скорости потока составят 1,5 – 3,0 м/с.

Для первого трубопровода с расходом Q1 = 18 м 3 /час возможные диаметры составят:

d1min = √(4·18)/(3600·3,14·1,5) = 0,065 м

d1max = √(4·18)/(3600·3,14·3.0) = 0,046 м

Для трубопровода с расходом 18 м 3 /час подходят трубы с диаметром поперечного сечения от 0,046 до 0,065 м.

Аналогично определим возможные значения оптимального диаметра для второго трубопровода с расходом Q2 = 34 м 3 /час:

d2min = √(4·34)/(3600·3,14·1,5) = 0,090 м

d2max = √(4·34)/(3600·3,14·3) = 0,063 м

Для трубопровода с расходом 34 м 3 /час возможные оптимальные диаметром могут быть от 0,063 до 0,090 м.

Пересечение двух диапазонов оптимальных диаметров находится в интервале от 0,063 м до 0,065 м.

Ответ: для двух трубопроводов подходят трубы диаметром 0,063–0,065 м.

Задача 5

В трубопроводе диаметром 0,15 м при температуре Т = 40°C движется поток воды производительностью 100 м 3 /час. Определите режим течения потока воды в трубе.

диаметр трубы d = 0,25 м;

расход Q = 100 м 3 /час;

μ = 653,3·10 -6 Па·с (по таблице при Т = 40°С);

ρ = 992,2 кг/м 3 (по таблице при Т = 40°С).

Решение задачи:

Режим течения потока носителя определяется по значению числа Рейнольдса (Re). Для расчета Re определим скорость движения потока жидкости в трубе (W), используя уравнение расхода:

W = Q·4/(π·d²) = [100/3600] · [4/(3,14·0,25²)] = 0,57 м/c

Значение числа Рейнольдса определим по формуле:

Re = (ρ·W·d)/μ = (992,2·0,57·0,25) / (653,3·10 -6 ) = 216422

Критическое значение критерия Reкр по справочным данным равно 4000. Полученное значение Re больше указанного критического, что говорит о турбулентном характере течения жидкости при заданных условиях.

Ответ: режим потока воды – турбулентный.

Поток жидкости и его параметры

Поток жидкости — это часть неразрывно движущейся жидкости, ограниченная твердыми деформируемыми или недеформируемыми стенками, образующими русло потока. Потоки, имеющие свободную поверхность, называются безнапорными. Потоки, не имеющие свободной поверхности, называются напорными

Поток жидкости характеризуется такими параметрами как площадь живого сечения S, расход жидкости Q(G), средняя скорость движения v.

Живое сечение потока — это сечение, которое перпендикулярно в каждой точке скорости частиц потока жидкости.

Векторы скорости частиц имеют некоторое расхождение в потоке жидкости.

Живым сечением потока жидкости называется сечение, которое перпендикулярно в каждой точке скорости частиц потока жидкости.

Рис. Векторы скорости потока жидкости (а) и живое сечение потока (б)

Поэтому живое сечение потока — криволинейная плоскость (рис. а, линия I—I) В виду незначительного расхождения векторов скорости в гидродинамике за живое сечение принимается плоскость, расположенная перпендикулярно скорости движения жидкости в средней точке потока.

Расход жидкости — это количество жидкости, протекающей через живое сечение потока в единицу времени. Расход может определяться в массовых долях G и объемных Q.

Средняя скорость движения жидкости — это средняя скорость частиц в живом сечении потока.

Если в живом сечении потока, движущегося, например, в трубе, построить векторы скорости частиц и соединить концы этих векторов, то получится график изменения скоростей (эпюра скоростей).

Рис. Распределение скоростей движения жидкости в живом сечении трубы при течении: а — турбулентном; б — ламинарном

Если площадь такой эпюры разделить на диаметр данной трубы, то получится значение средней скорости движения жидкости в данном сечении:

Vcр = Sэ/d,
где Sэ — площадь эпюры местных скоростей; d — диаметр трубы

Объемный расход жидкости рассчитывается по формуле:

Q = Sэ*Мср,
где Q — площадь живого сечения потока.

Параметры потока жидкости определяют характер движения жидкости. При этом оно может быть установившимся и неустановившимся, равномерным и неравномерным, неразрывным и кавитационным, ламинарным и турбулентным.

Если параметры потока жидкости не изменяются во времени, то ее движение называется установившимся.

Равномерным называется движение, при котором параметры потока не изменяются по длине трубопровода или канала. Например, движение жидкости по трубе постоянного диаметра является равномерным.

Неразрывным называется движение жидкости, при котором она перемещается сплошным потоком, заполняющим весь объем трубопровода.

Отрыв потока от стенок трубопровода или от обтекаемого предмета приводит к возникновению кавитации.

Кавитацией называется образование в жидкости пустот, заполненных газом, паром или их смесью.

Читайте также:  Кабмин установил вознаграждение частному исполнителю в 10% от взысканной суммы

Кавитация возникает в результате местного уменьшения давления ниже критического значения pкр при данной температуре (для воды ркр= 101,3 кПа при Т= 373 К или ркр= 12,18 кПа при Т= 323 К и т. д.). При попадании таких пузырьков в зону, где давление выше критического, в эти пустоты устремляются частицы жидкости, что приводит к резкому возрастанию давления и температуры. Поэтому кавитация неблагоприятно отражается на работе гидротурбин, жидкостных насосов и других элементов гидравлических устройств.

Ламинарное движение — это упорядоченное движение жидкости без перемешивания между ее соседними слоями. При ламинарном течении скорость и силы инерции, как правило, невелики, а силы трения значительны. При увеличении скорости до некоторого порогового значения ламинарный режим течения переходит в турбулентный.

Турбулентное движение — это течение жидкости, при котором ее частицы совершают неустановившееся беспорядочное движение по сложным траекториям. При турбулентном течении скорость жидкости и ее давление в каждой точке потока хаотически изменяется, при этом происходит интенсивное перемешивание движущейся жидкости.

Для определения режима движения жидкости существуют условия, согласно которым скорость потока может быть больше или меньше той критической скорости, когда ламинарное движение переходит в турбулентное и наоборот.

Однако установлен и более универсальный критерий, который называют критерием или числом Рейнольдса:

Re = vd/V,
где Re — число Рейнольдса; v — средняя скорость потока; d — диаметр трубопровода; V — кинематическая вязкость жидкости.

Опытами было установлено, что в момент перехода ламинарного режима движения жидкости в турбулентный Re = 2320.

Число Рейнольдса, при котором ламинарный режим переходит в турбулентный, называется критическим. Следовательно, при Re 2320 — турбулентное. Отсюда критическая скорость для любой жидкости:

Основы гидравлики

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.:

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 αкоэффициент 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:

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 :

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:

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 = λ v 2 /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 = v 2 l/C 2 R ,

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/С 2 . Размерность коэффициента Шези – м 1/2 /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 = ξ v 2 /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. = ( v 1v 2) 2 2g = ξвн.р.1 v 1 2 /2g = ξвн.р.2 v 2 2 /2g ,

где v1 и v2 – средние скорости течения до и после расширения.

При внезапном сужении трубопровода коэффициент местного сопротивления определяется по формуле:

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:

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 :

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.

Способ определения направления движения потока газа или жидкости в трубопроводе

Номер патента: 356424

Текст

356424 О П-И-СА Н И Е ИЗОБРЕТЕНИЯ К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ Союз Советских Социалистических РеслуйлинЗависимое от авт. свидетельстваЗаявлено 05.1 Х.1969 ( 1360609/23-26)с присоединением заявкиПриоритетОпубликовано 23,Х.1972. Бюллетень3Дата опубликования описания 2,111.1973 М, Кл, Г 170 3(02 Комитет ло делам зобретений и открытийУДК 621.643(088,8) при Совете Министров СССРвторызобретения Шнерх и С. С. Шнерх Ивано-Франковский институт нефти и га явитель СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНПОТОКА ГАЗА ИЛИ НАПРАВЛЕНИЯ ДВИЖЕНИЯДКОСТИ В ТРУБОПРОВОДЕ Изобретение относится к эксплуатации трубопроводных систем, например трубопроводов, предназначенных для перекачки газа, нефти, пены и др. продуктов,Известен способ определения направления движения потока газа или жидкости в трубопроводе без его вскрытия путем измерения параметров перекачиваемой среды, например разности температур в точках, равноудаленных от места подогрева.Между тем, в реальных условиях нередки случаи, когда применение известного способа влияет на качество перекачиваемой среды, условия эксплуатации трубопровода и создает аварийные ситуации.Целью изобретения является сохранение качества перекачиваемой среды без нарушения условий эксплуатации трубопровода.Это достигается тем, что по предложенному способу создают импульсы звука (ультразвука) в среде и определяют разность времени их прохождения в среде до точек, равноудаленных от источника импульсов, а также замеряют интенсивность сигнала в этих точках, по которым судят о направлении движения потока в трубопроводе.Импульс звука (ультразвука), созданный на поверхности трубопровода, распространяется как по стенке трубы, так и в потоке перекачиваемой среды (газ, жидкость, пена). Скорость распространения звука в потокеи интенсивность сигнала зависят от двух факторов: скорости звука в неподвижной среде и скорости потока. Если поток направлен от ис точника звука, то скорости складываются, аесли поток движется к источнику звука, то скорости вычитаются.В одной из точек трубопровода создаетсяимпульс звука при помощи известных средств, 10 затем измеряется время прохождения звукадо точек, равноудаленных от источника импульса, и интенсивность сигнала.Замер времени прохождения импульса звука производится при помощи известных 15 средств, например, микрофонами с электронными усилителями и счетчиками – фиксаторами времени. Аналогично замеряется интенсивность сигналов.В расшифровке времени распространения 20 звука рассматривается только время прохождения сигнала в потоке.Движение продукта будет направлено в тусторону, где время распространения звука в среде окажется меньшим, а интенсивность 25 сигнала – большим.В случае, если среда неподвижна в трубопроводе, разницы во времени распространения звука в обе стороны от источника не будет, а интенсивность сигнала в контрольных 30 точках будет одинаковой.Заказ 395/3 Изд.1640 Тираж 406 ПодписноеЦНИИПИ Комитета по делам изобретений и открытий при Совете Министров СССРМосква, Ж, Раушская наб., д. 4/5 Типография, пр. Сапунова, 2 Способ определения направления движения ,потока газа или жидкости в трубопроводе без его вскрытия путем измерения параметров перекачиваемой среды, отличающийся тем, что, с целью сохранения качества перекачиваемой среды и соблюдения условий эксплуатации трубопровода, создают импульсы авука в среде и определяют разность времени их прохождения в среде до точек, равноудаленных от 5 источника импульсов, а также замеряют интенсивность сигнала в этих точках.

Читайте также:  Грунтовка стен под обои: зачем нужна и какая лучше

Заявка

Е. И. Шнерх, С. С. Шнерх Ивано Франковский институт нефти, газа

МПК / Метки

Код ссылки

Устройство для определения плотности потока в трубопроводе

Номер патента: 1758510

. 13,Устройство работает следующим обра- ЗОМ.При прохождении потока по трубопроводу 2 диэлектрический цилиндр 1 обтекается контролируемым потоком, который стабилизирУется перед измерительным участком стабилизаторами потока 10, При этом резонансная частота длинной линии, образованной замкнутым зигзагообразным проводником 3, изменяетсч в соответствии с диэлектрической прсницаемостью потока, и, соответственно, его плотностью. Однако электрическое поле для каждого из типов колебаний имеет неоднородный характер, что может проводить к погрешности измерения плотности неоднородных потоков, Поэтому в предлагаемом устройстве может также быть использована в качестве информативного параметра разность частот колебаний первого и второго типов, так как.

Способ измерения времени задержки сигнала в среде с дисперсией скорости и устройство для его осуществления

Номер патента: 690377

. прохождении через среду частотная модуляция в импульсе исчезает, все его частотные составляющие в полосе частот Ю приходят к ее границе с разностью фаз, равной нулю, формируя короткий импульс длйтельностью = 1/М. Упругий импульс принимают на том же расстоянии, преобразуют в ,электрический сигнал (фиг. Зв) и по его задерк. ке относительно момента излучения в среду пер,воначального упругого импульса определяют ,время задержки То сигнала на частоте 10, кото.1,рое совпадает с половиной времени задержки принятого электрического сигнала (фиг. 3, в), при этом сигнал модулируют импульсом с пря,моугольной огибающей (фиг, 3, б).30Устроиство, реализующее предложенный способ, работает следующим образом,Генератор 2 вырабатывает синусоидальное.

Тяговое средство для транспортирования контейнеров по трубопроводу в потоке рабочей среды

Номер патента: 1323489

. средства приводит его в движение. Пояс ведущих колес 8 в этом случае выполняет роль поддерживающих Для предотвращения потребления крыльчаткой 5 энергии от ведущих колес по обратной связи валы 9 – передача 6 она отключается сцеплением 7 от ведущих валов 9. Тяговое средство для транспортиро” вания контейнеров по трубопроводу в потоке рабочей среды, содержащее корпус с ведомыми колесами и смонтированную на нем крьшьчатку, вал которой соединен через понижающую передачу с валами ведущих колес, о т л ич а ю щ е е с я тем что, с целью улучшения эксплуатационных характеристик, оно снабжено закрепленной на корпусе перед крыльчаткой со стороны подачи рабочей среды диафрагмой, выполненной с возможностью перекрытия проходного сечения перед.

Способ измерения коэффициента отражения звука от границы раздела сред

Номер патента: 1442901

. и отнижней границы 3 волновода 4, При 2 Ооблучении нижней границы 3 вол 1новода 4 акустические волны проходят к приемнику 2 по лучам5 и б. Если облучается противоположная граница, то акустические волны 25попадают в приемник по лучам 7 и 8.Способ осуществляется следующимобразом,С помощью источника 1 звуковыхволн излучают на нижнюю границу 3волновода 4 под определенным угломакустическую волну. Принимают акустическую волну приемником 2, дважды отраженную от нижней границы 3 и одинраз от верхней границы и распрострайяющуюся по лучу 5. Измеряют давле 35ние в этой волне Р . Затем принимают акустическую волну приемником 2,по разу отраженной от нижней границы4 и верхней границы волновода и 40распространяющуюся по лучу 6. Измеряют также.

Устройство для определения средних объемных расходов жидкости и газа газожидкостного потока в трубопроводе.

Номер патента: 1649277

. газожидкоРАстного потока на участке А, давления Рв ирасхода ЕР на участке Б трубопровода,темп 8 ратуры 1 и величины р содержанияводы в продукции скважины (доля воды вжидкости).3. Если величина Рд – РБ ниже среднегозаданного значения, формирует сигнал науменьшение площади сечения участка трубопровода путем прикрытия клапана исполнительного органа 6 регулятора; если РА-,Рввыше верхнего заданного значения, формирует сигнал на увеличение площади сечекияучастка трубопровода путем приоткрытияклапана исполнителькОГО ОрГяна 6 реГуля-тора, в противном случае переходит к следующему пункту.4. Запоминает измеренное значениепараметров,5. ЕСЛИ ЭадаННО 8 ВрЕМя 4 вД КЕ ИСТЕКЛО,переходит к п.2, в противном случае – переходит к следующему.

РЕЖИМЫ ДВИЖЕНИЯ ЖИДКОСТИ

Цель работы: изучениЕ режимов движения жидкости и методов определения режима движения жидкости – ламинарного и турбулентного.

3.1. Общие сведения

При движении жидкости в трубах или каналах могут наблюдаться два различных по своему характеру режима движения – ламинарный и турбулентный. Ламинарный (слоистый) – это такой режим, при котором поток жидкости движется параллельными струйками или слоями не смешивающимися между собой. Частицы имеют только одну, продольную, составляющую скорости. Линия тока при ламинарном режиме совпадает с траекторией частицы.

При турбулентном (хаотичном, вихревом) режиме движения частицы жидкости перемешиваются, и траектории отдельных частиц представляют сложные линии, пересекающиеся между собой.

Исследования по определению режимов движения жидкости проводил английский физик О. Рейнольдс. Опыты Рейнольдса показали, что наличие ламинарного или турбулентного режима зависит от скорости движения, вязкости жидкости и от геометрических размеров живого сечения потока. При постоянном увеличении скорости движение жидкости сохраняется ламинарным лишь до какой-то определённой скорости, после которой наступает турбулентный режим. При проведении опыта в обратном порядке, т.е. при уменьшении скорости, турбулентный режим сохраняется также до какой-то определённой скорости, после чего переходит в ламинарный.

Скорость, при которой происходит смена режимов движения, называется критической скоростью. При этом различают две критические скорости: нижнюю – vKp „ и верхнюю – vKp в.

При нижней критической скорости турбулентное движение переходит в ламинарное, при верхней – ламинарное переходит в турбулентное. Таким образом, определение режима движения жидкости может быть произведено путём сопоставления средней скорости движения потока v со значениями критических скоростей. С изменениями геометрических размеров живого сечения потока и свойств жидкости величины критических скоростей будут изменяться.

Для определения режима движения жидкости в инженерной практике используется критерий режима движения, который называется число Рейнольдса:

где v- средняя скорость движения жидкости; /- характерный линейный размер живого сечения потока; v – кинематический коэффициент вязкости жидкости.

В качестве величины 1 обычно принимается гидравлический радиус R = —,

где со – площадь живого сечения потока; % – смоченный периметр. Для круглой трубы при напорном движении 1 = d, где cl – диаметр трубы.

Таким образом, для напорной трубы круглого сечения

Режим движения можно определить путём сравнения числа Рейнольдса Re с его критическим значением ReKp, соответствующим критической скорости. Существуют два критических числа Рейнольдса: ReKp.H – нижнее критическое число Рейнольдса и ReKp „ – верхнее критическое число Рейнольдса. Для равномерных потоков жидкости в трубах (каналах) круглого сечения нижнее критическое число Рейнольдса ReKp.„ всегда будет одинаковым и ReKp.n = 2320. Значение верхнего критического числа Рейнольдса ReKp„ зависит от многих факторов.

Режим движения следует считать ламинарным, если Re ReKp l). При ReKp „ ReKp H.

Из выражения (3.1) следует, что числа Рейнольдса малы и, следовательно, режим ламинарный при малых скоростях течения в каналах незначительного поперечного сечения (в порах грунта, капиллярных трубках) или при движении жидкостей с большой вязкостью (нефть, масло, битумы).

Турбулентный режим в природе и технике встречается чаще. Его закономерностям подчиняется движение воды в реках, ручьях, каналах, а также движение бензина, керосина и других маловязких жидкостей в трубах.

3.2. Описание опытного устройства

Устройство № 3 имеет прозрачный корпус (рис. 4.1, а), баки 1 и 2 с успокоительной стенкой 3 для гашения возмущений в жидкости от падения струй и всплывания пузырей воздуха.

Баки 1 и 2 соединены между собой каналами 4 и 5 с одинаковыми сечениями. Канал 4 имеет перегородку с щелью 6, а противоположный конец канала 5 имеет решётку 7 (перегородку со множеством отверстий). Устройство № 3 заполнено смесью воды и микроскопических частиц алюминия. Уровень смеси в баке № 2 измеряется по шкале 8.

Устройство № 3 позволяет определить структуру потока и режим движения жидкости визуально, а также с помощью критерия Рейнольдса.

Устройство № 3 позволяет наблюдать, так называемые, циркуляционные (водоворотные, вальцовые) зоны, которые образуются при резком изменении поперечного сечения или направления канала. В это время происходит отрыв транзитного потока от стенки.

У стенки жидкость начинает двигаться в обратном направлении, приводя к вращению жидкости между транзитной струёй и стенкой и образованию водоворота.

Рис. 3.1. Схема устройства № 3:

  • 1,2- баки; 3 – перегородка; 4, 5 – опытные каналы; 6 – щель; 7 – решётка; 8 – уровнемерная шкала
  • 3.3. Задание

Изменяя положение устройства № 3, создать ламинарный режим, турбулентный режим и проследить за изменением структуры потоков в процессе уменьшения скорости смеси до нуля; провести визуальные наблюдения за структурой потока в баке 2 на участке внезапного сужения, внезапного расширения в канале 4 за щелью 6 и при выходе потока из канала в бак 1; провести наблюдения за структурой течения при обтекании успокоительной стенки 3; зарисовать структуры потоков для всех указанных случаев визуального наблюдения в виде табл. 3.1

Сделав соответствующие измерения, посчитать число Рейнольдса и определить режим движения жидкости.

3.4. Методики и порядок проведения испытаний

Чтобы создать в канале 4 ламинарный режим движения жидкости, необходимо бак 1 заполнить смесью воды и алюминиевых частиц, поставить устройство № 3 баком 2 на стол (рис. 3.1, а). Поступающая через левый канал в нижний бак 2 смесь вытесняет воздух в виде пузырей в верхний бак через канал 5. В результате этого давление на входе в канал 4, т.е. на дне верхнего бака 1 и над жидкостью в нижнем баке 2 уравниваются и истечение происходит под действием постоянного напора Н, создаваемого столбом жидкости в левом канале. Так обеспечивается установившееся (с постоянным во времени расходом) движение жидкости. В канале 4 устанавливается ламинарный режим благодаря небольшим скоростям течения из-за большого сопротивления щели 6.

Измерить время t поднятия уровня смеси в баке 2 на некоторую величину S. Изменяя наклон устройства № 3 от себя, изменяем расход смеси через щель 6. При новом положении устройства № 3 наклоном его от себя замерить вновь время / поднятия уровня S в баке 2. Зафиксировать температуру смеси Т °С.

Повернуть устройство № 3 в вертикальной плоскости по часовой стрелке на 180° (рис. 3.1, б) в канале 5 можно наблюдать за турбулентным режимом. Замерить начальный уровень смеси в баке 2 и время /, за которое бак 2 опорожниться и температуру смеси. Замеры провести при двух различных наклонах устройства № 3 от себя.

При заполненном смесью баке 2, если устройство № 3 поставить так, чтобы канал 5 (с решёткой) занял нижнее горизонтальное положение (рис. 3.1, в), можно наблюдать в канале 5 процесс перехода от турбулентного режима движения к ламинарному.

При этом обратить внимание на то, что решётка 7 приводит к турбулиза- ции потока за ней.

При заполненном смесью баке 2, если поставить устройство № 3 так, чтобы канал 4 с щелью 6 занял нижнее горизонтальное положение (рис. 3.1, г), можно наблюдать за структурой потока в баке 2 при внезапном сужении, внезапном расширении в канале за щелью 6 и при выходе потока из канала в бак 1, а также за образованием циркуляционных зон и транзитной струи.

При заполненном баке 1 (рис. 3.1, д) можно наблюдать структуру течения при обтекании перегородки 3.

3.5. Обработка результатов экспериментов

Наблюдая за структурой потоков в устройстве № 3 при различных положениях этого устройства, сделать зарисовки структуры в виде табл. 3.1

По измеренной температуре смеси Т°С рассчитать её кинематический коэффициент вязкости v по формуле

По формуле

где А и В – размеры поперечного сечения бака (указаны на корпусе устройства № 3), определить объём смеси, поступившей в мерный бак за время I.

Расход Q смеси, протекающий через щель 6 (рис. 3.1, а) или решётку 7 (рис. 3.1, б)

По расходу О определяется средняя скорость течения смеси в канале:

где w – площадь поперечного сечения опытных каналов (указаны на корпусе устройства № 3).

По уравнению (3.2) определяем число Рейнольдса и, сравнивая его с критическим ReKp „ числом Рейнольдса, определяем режим движения.

Все измеряемые и расчётные данные занести в табл. 3.2.

Экспериментальные данные и значения определяемых величин при определении числа Рейнольдса и режимов движения жидкости

Добавить комментарий