Гидравлическое сопротивление течению. Гидравлические сопротивления и их расчет. Влияние режима течения в трубах на гидравлические потери
ОПРЕДЕЛЕНИЕ
Гидравлическим сопротивлением называют потери удельной энергии при переходе ее в теплоту на участках гидравлических систем, которые вызваны вязким трением.
При этом эти потери делят на:
- потери, возникающие при равномерном течении вязкой жидкости по прямой трубе, имеющей постоянное сечение. Это так называемые, потери на трение по длине, которые пропорциональны длине трубы. Сопротивление по длине вызвано силами вязкого трения;
- потери, которые порождаются местными гидравлическими сопротивлениями, например, изменение формы или (и) размера канала, которые изменяют поток. Эти потери называют местными. Местные сопротивления объясняются изменениями скорости потока по модулю и направлению.
Потери в гидравлике измеряют в единицах длины, когда говорят о потери напора () или в единицах давления ().
Если поток турбулентный, то эффективная гидравлическая проводимость будет значительно ниже, чем предсказано законом Дарси. И изменяется непосредственно с вязкостью воды, которая, в свою очередь, зависит от температуры воды. Таблица 3 Физические свойства воды.
Этот эффект уже рассмотрен в предыдущей рекомендации коэффициента безопасности. Гидравлическая проводимость в уравнениях также зависит от количества и размера зазоров в среде, используемой для водно-болотных угодий. Гидравлическая проводимость рекомендуется измерять на земле или в лаборатории до окончательной конструкции.
Коэффициент Дарси при ламинарном течении жидкости
Если жидкость по трубе течет равномерно, то потери напора по длине () находят при помощи формулы Дарси — Вейсбаха. Эта формула является справедливой для круглых труб.
Желательно, чтобы пористость среды также измерялась в лаборатории, прежде чем делать окончательную конструкцию. Для оценки гидравлической проводимости при использовании тяжелого гравия или породы можно использовать соотношение, основанное на уравнении Эргуна.
Это уравнение, а также значения в таблице 4 полезны только для предварительного проектирования или для оценки порядка величины. Предварительная рекомендация о том, что градиент гидравлического градиента ограничивается не более чем 20% доступной потери нагрузки, является частичным эффектом ограничения отношения формы системы к относительно низким значениям.
где — коэффициент гидравлического сопротивления (коэффициент Дарси), — ускорение свободного падения, d — диаметр трубы. Коэффициент гидравлического сопротивления () величина безразмерная. Этот коэффициент связан с числом Рейнольдса. Так для трубы в виде круглого цилиндра коэффициент гидравлического сопротивления считают равным:
Следующая гидравлическая аналогия поможет нам как-то понять значение потенциального падения электрических цепей. Таким образом, происходит постепенная потеря давления вдоль трубки. Разность давлений между двумя точками - это то, что необходимо для течения жидкости между этими двумя точками.
При открытии клапана немного больше, конечно, больше воды будет течь: давление будет уменьшаться в равной пропорции. Компоненты гидравлических систем. Основными целями гидравлической жидкости являются. Эффективно передавать мощность, предоставленную вам.
При ламинарном течении для нахождения гидравлического трения при Re2300 применяют формулу:
Для труб, поперечное сечение которых отличается от круга коэффициент гидравлического трения принимают равным:
где A=57, если сечение канала квадрат. Все приведенные выше формулы справедливы при ламинарном течении жидкости.
Коэффициент гидравлического сопротивления при турбулентном течении
Если течение является турбулентным, то аналитического выражения для коэффициента сопротивления нет. Для такого движения жидкости коэффициент сопротивления как функцию от числа Рейнольдса получают эмпирически. Для круглой цилиндрической гладкой трубы рассматриваемый коэффициент при рассчитывается по формуле Блаузиуса:
Прохладные компоненты системы. Удовлетворительно смазывать внутренние компоненты. Запечатывайте промежутки между движущимися частями. Характеристики гидравлических жидкостей. Это показатель сопротивления, который он предлагает при протекании при определенной температуре. В минеральном масле он изменяется обратно пропорционально температуре, т.е. при повышении температуры вязкость уменьшается. По этой причине одним из факторов, препятствующих выбору жидкости, является рабочий температурный диапазон гидравлической системы.
Гидравлическая жидкость должна быть как можно меньше, чтобы свести к минимуму потери давления в трубопроводе и проникнуть через зазоры компонентов, чтобы смазать их, но не должна быть настолько низкой, чтобы вызвать утечку между зонами высокого и низкого давления.
При турбулентном движении жидкости коэффициент гидравлического трения зависит от характера движения (числа Рейнольдса) и от качества (гладкости) стенок труб. Шероховатость труб оценивают при помощи некоторого параметра, который носит название абсолютной шероховатости ().
Вязкость выбирается в зависимости от типа насоса и рабочей температуры системы. Низкая вязкость снижает потери энергии и проникает в зазоры для смазки компонентов, но может вызвать утечки. Высокая вязкость вызывает затруднение всасывания на насосе и потерю энергии.
Существует несколько шкал вязкости и различных типов вискозиметров, стандартизованных в соответствии с каждой шкалой. Этот стандарт использует кинематическую вязкость для определения вязкости. Используется для промышленных масел. Используется для моторных масел.
Испытание измеряет время, когда определенный объем масла протекает через капиллярную трубку под действием силы тяжести при стандартной температуре. Этот показатель зависит от типа масла, его получения и его добавления. Деметричность: способность жидкости отделяться от воды. Гидравлические жидкости, не содержащие воды, должны иметь хорошую деэмульгируемость, чтобы можно было сливать свободную воду из системы. Загрязнение воды происходит за счет конденсации, утечек в теплообменниках и влажного воздуха, поступающего через вентиляционное отверстие.
Местные сопротивления
Местные сопротивления порождают изменения модуля и направления скорости движения жидкости на отдельных участках трубы, и это связывается с дополнительными потерями напора.
Коэффициентом местного сопротивления называют безразмерную физическую величину, часто обозначаемую как , равную отношению потери напора в рассматриваемом местном сопротивлении () к скоростному напору ():
Минеральные масла Минеральное масло, полученное из нефти, является наиболее часто используемой жидкостью в гидравлических системах. Он обладает превосходными свойствами и может использоваться во многих различных типах систем и в самых сложных условиях эксплуатации. Он имеет следующие характеристики.
Он совместим со всеми элементами, используемыми в системе. Он обладает характеристиками вязкости, которая удовлетворяет требованиям насоса и всех компонентов системы. Он обладает хорошими смазочными характеристиками, поддерживая высокие нагрузки и избегая износа движущихся частей.
Величину определяют экспериментально.
Если скорость течения жидкости во всем сечении постоянна и равна , то коэффициент местного сопротивления можно определить как:
Защищает компоненты от коррозии и ржавчины. Они устойчивы к образованию пены и абсорбции воздуха, легко отделяясь от воды. Основными добавками в гидравлических маслах, которые улучшают свойства масел, являются. Антиоксиданты: они задерживают окисление, увеличивая срок службы жидкости.
Пеногасители: они обеспечивают самую быструю деаэрацию. Ввод воздуха в систему из-за недостатка масла или проблем с уплотнением приведет к вспениванию, что приведет к кавитации и неправильной работе системы. Соответствующие точки при выборе гидравлической жидкости.
Все гидравлические потери энергии делятся на два типа: потери на трение по длине трубопроводов (рассмотрены в п.4.3 и 4.4) и местные потери, вызванные такими элементами трубопроводов, в которых вследствие изменения размеров или конфигурации русла происходит изменение скорости потока, отрыв потока от стенок русла и возникновение вихреобразования.
Иметь минимальное изменение вязкости с температурой. Защищать металлические поверхности от коррозии и ржавчины. Смазывать и защищать от движущихся частей. Не реагируйте с системными материалами. Имеют высокий коэффициент теплопередачи. Отделять легко от воды.
Освободите поглощенный воздух быстро. Частота смены гидравлического масла зависит от его качества, типа работы и уровня загрязнения, опыт производителей и пользователей показывает некоторые параметры. Загрязнение гидравлических жидкостей. Загрязняющие вещества вызывают проблемы, связанные с ускорением окисления, разрушением молекулярной структуры, образованием смолистых остатков и лаков. Как следствие, срок службы жидкостей уменьшается за счет разложения добавок и снижения рабочей температуры. Пагубные последствия недостатка смазки влияют не только на компоненты гидравлических систем, но и на конечную стоимость процесса и продуктов и услуг производится.
Простейшие местные гидравлические сопротивления можно разделить на расширения, сужения и повороты русла, каждое из которых может быть внезапным или постепенным. Более сложные случаи местного сопротивления представляют собой соединения или комбинации перечисленных простейших сопротивлений.
Рассмотрим простейшие местные сопротивления при турбулентном режиме течения в трубе.
Последствия плохой фильтрации. Потери в производстве от нежелательных остановок. Частая замена компонентов и жидкостей. Сокращение срока службы компонентов. Увеличение расходов на техническое обслуживание. Носите на шарах и сиденьях клапанов. Наденьте штыри уплотнения и рубашки.
Засорение отверстий и износ золотника. Привязка катушки, вызывающая неисправности в соленоиде. Эрозия отверстий, вызывающая изменения в регулирующих характеристиках клапанов. Износостойкий износ насосов и клапанов. Снижение эффективности насосов, истирание в лопатках, шестернях или цилиндрах.
1. Внезапное расширение русла . Потеря напора (энергии) при внезапном расширении русла расходуется на вихреобразование, связанное с отрывом потока от стенок, т.е. на поддержание вращательного непрерывного движения жидких масс с постоянным их обновлением.
Рис. 4.9. Внезапное расширение трубы
При внезапном расширении русла (трубы) (рис.4.9) поток срывается с угла и расширяется не внезапно, как русло, а постепенно, причем в кольцевом пространстве между потоком и стенкой трубы образуются вихри, которые и являются причиной потерь энергии. Рассмотрим два сечения потока: 1-1 - в плоскости расширения трубы и 2-2 - в том месте, где поток, расширившись, заполнил все сечение широкой трубы. Так как поток между рассматриваемыми сечениями расширяется, то скорость его уменьшается, а давление возрастает. Поэтому второй пьезометр показывает высоту на ΔH большую, чем первый; но если бы потерь напора в данном месте не было, то второй пьезометр показал бы высоту большую еще на h расш . Эта высота и есть местная потеря напора на расширение, которая определяется по формуле:
Это физические элементы, которые позволяют удалять загрязняющие частицы из жидкостей, чтобы сохранить их эксплуатационные характеристики. Для удаления примесей жидкость подается через фильтрующий элемент, который сохраняет загрязнение. Его присутствие является обязательным, поэтому важно понимать его характеристики.
Профилактическое обслуживание в гидравлических системах - лучший инструмент для предотвращения потерь и нежелательных остановок. Надлежащее хранение и обращение с жидкостью необходимо для предотвращения загрязнения и сохранения рабочей среды. Производители гидравлических агрегатов уже определяют количество и тип используемой жидкости, но часто из-за условий окружающей среды, эксплуатации и технического обслуживания жидкость должна быть отрегулирована, чтобы получить более высокую производительность системы.
где S1 , S2 - площадь поперечных сечений 1-1 и 2-2 .
Это выражение является следствием теоремы Борда , которая гласит, что потеря напора при внезапном расширении русла равна скоростному напору, определенному по разности скоростей
Утилизация любого типа гидравлической жидкости, смазки или охлаждающей жидкости должна выполняться квалифицированными компаниями, аккредитованными в органах по контролю окружающей среды. Техническая поддержка поставщиков смазочных материалов является основополагающей для хорошей работы гидравлических систем.
Водонепроницаемость, прочность, долговечность и простота установки - некоторые важные свойства в строительстве гидравлических систем, будь то холодная или горячая вода. В дополнение к цене технологии труб и соединений отличаются методом сборки и ее сопротивлением давлению и температуре.
Выражение (1 - S 1 /S 2) 2 обозначается греческой буквой ζ (дзета) и называется коэффициентом потерь, таким образом
2. Постепенное расширение русла . Постепенно расширяющаяся труба называется диффузором (рис.4.10). Течение скорости в диффузоре сопровождается ее уменьшением и увеличением давления, а следовательно, преобразованием кинетической энергии жидкости в энергию давления. В диффузоре, так же как и при внезапном расширении русла, происходит отрыв основного потока от стенки и вихреобразования. Интенсивность этих явлений возрастает с увеличением угла расширения диффузора α.
Самые последние разработки в этой области в Бразилии указывают на более частое использование гибких труб, особенно для составления гидравлических комплектов, в работах с более высокой степенью повторения, например, в коммерческих, жилых и гостиничных зданиях.
Независимо от выбранной системы, важно составить подробный проект для руководства внедрением и сокращения потерь, которые могут варьироваться от 5% до 25% в случае труб и от 0, 5% до 2, 5% в случае соединения. Среди них - организация запасов труб и запасов соединений; способность использовать большую часть трубы для изготовления каждой части трубы, избегая остаточных концов труб; контроль над доступными соединениями на строительной площадке; знание деталей выполненной системы, чтобы избежать повторной работы; возможность предварительного выполнения частей системы на скамейке; и знание работником правильной технологии для принятого материала.
Рис. 4.10. Постепенное расширение трубы
Кроме того, в диффузоре имеются и обычные потери на терние, подобные тем, которые возникают в трубах постоянного сечения. Полную потерю напора в диффузоре рассматривают как сумму двух слагаемых:
где h тр и h расш - потери напора на трение и расширение (вихреобразование).
Горячая вода Среди материалов, используемых в распределительной сети горячей воды, наиболее распространены меди, главным образом благодаря таким характеристикам, как снижение теплового расширения, высокая устойчивость к сервисным давлениям и устойчивость к механическим и термическим усталостям.
Например, в жилых и коммерческих зданиях этот материал можно найти по всему зданию, но главным образом в распределительной сети, дополненной медным отвесом. Преимущество объединения материалов - экономия затрат и повышение производительности. Системы для горячей и холодной воды в строительных установках.
где n = S 2 /S 1 = (r 2 /r 1) 2 - степень расширения диффузора. Потеря напора на расширение h расш имеет ту же самую природу, что и при внезапном расширении русла
где k - коэффициент смягчения, при α= 5…20°, k = sinα.
Это материал, который может быть жестким или гибким, что не ставит под угрозу жизнеспособность воды и является легким и изолирующим. Детали могут быть свариваемыми или нарезаемыми. В настоящее время свариваемая система соединений наиболее часто используется, поскольку ее легче выполнять. Однако резьбовое соединение наиболее подходит для работы, когда разводка линии требуется для изменения конструкции или технического обслуживания.
Поэтому он более устойчив к проведению жидкостей под давлением и при более высокой температуре. Медь Сотрудники, проводящие горячую воду, медные трубы и фитинги, часто отвечают требованиям такого типа применения, как высокая прочность и долговечность и низкая шероховатость. Сварные соединения, используемые в соединениях, также обеспечивают водонепроницаемость, а медь, кроме того, пригодна для повторного использования, имеет хорошую теплопроводность. Чтобы обеспечить долгий срок службы установок, важно, чтобы соединения были полезными.
Учитывая это полную потерю напора можно переписать в виде:
откуда коэффициент сопротивления диффузора можно выразить формулой
Рис. 4.11. Зависимость ζ диф от угла
Функция ζ = f (α)имеет минимум при некотором наивыгоднейшем оптимальном значении угла α, оптимальное значение которого определится следующим выражением:
При подстановке в эту формулу λ Т =0,015…0,025 и n = 2…4 получим α опт = 6 (рис.4.11).
3. Внезапное сужение русла . В этом случае потеря напора обусловлена трением потока при входе в более узкую трубу и потерями на вихреобразование, которые образуются в кольцевом пространстве вокруг суженой части потока (рис.4.12).
Рис. 4.12. Внезапное сужение трубы | 4.13. Конфузор |
Полная потеря напора определится по формуле;
где коэффициент сопротивления сужения определяется по полуэмпирической формуле И.Е. Идельчика:
в которой n = S 1 /S 2 - степень сужения.
При выходе трубы из резервуара больших размеров, когда можно считать, что S 2 /S 1 = 0, а также при отсутствии закругления входного угла, коэффициент сопротивления ζ суж = 0,5.
4. Постепенное сужение русла . Данное местное сопротивление представляет собой коническую сходящуюся трубу, которая называется конфузором (рис.4.13). Течение жидкости в конфузоре сопровождается увеличением скорости и падением давления. В конфузоре имеются лишь потери на трение
где коэффициент сопротивления конфузора определяется по формуле
в которой n = S 1 /S 2 - степень сужения.
Небольшое вихреобразование и отрыв потока от стенки с одновременным сжатием потока возникает лишь на выходе из конфузора в месте соединения конической трубы с цилиндрической. Закруглением входного угла можно значительно уменьшить потерю напора при входе в трубу. Конфузор с плавно сопряженными цилиндрическими и коническими частями называется соплом (рис.4.14).
Рис. 4.14. Сопло
5. Внезапный поворот трубы (колено) . Данный вид местного сопротивления (рис.4.15) вызывает значительные потери энергии, т.к. в нем происходят отрыв потока и вихреобразования, причем потери тем больше, чем больше угол δ. Потерю напора рассчитывают по формуле
где ζ кол - коэффициент сопротивления колена круглого сечения, который определяется по графику в зависимости от угла колена δ (рис.4.16).
6. Постепенный поворот трубы (закругленное колено или отвод) . Плавность поворота значительно уменьшает интенсивность вихреобразования, а следовательно, и сопротивление отвода по сравнению с коленом. Это уменьшение тем больше, чем больше относительный радиус кривизны отвода R / d