Основное расчетное уравнение простого трубопровода

Простой трубопровод – это труба постоянного диаметра с местными сопротивлениями, по которой проходит постоянный расход.

Большинство простых трубопроводов вписывается в одну из следующих двух схем, рис. 2.1.; в резервуарах уровень поддерживается постоянным и поэтому течение везде установившееся.

Схема 1 Схема 2

В обоих случаях движущей силой является сила тяжести, которая приводит к разности давлений и под действием этой разности жидкость приходит в движение. В обоих случаях потенциальная энергия положения преобразуется в кинетическую энергию, а последняя – в тепловую за счет сил трения.

С точки зрения анализа размерностей очевидно, что на скорость течения V в трубе влияет разность уровней DH, а так как движущей силой является сила тяжести, то оказывает влияние и ускорение свободного падения, т.е.

.

Точнее результат для скорости течения получается, если приравнять запас потенциальной энергии и кинетическую энергию текущей жидкости.

Для случая идеальной жидкости

или .

В действительности вследствие вязкости (трение в жидкости) часть кинетической энергии переходит в тепловую. Поэтому чем больше сопротивлений по длине и местных, тем скорость течения меньше.

Как это часто бывает, наиболее точный и исчерпывающий результат получается при решении общих уравнений. В данном случае вполне понятно, что основным уравнением, связывающим запас потенциальной энергии, кинетическую энергию потока и потери является уравнение Бернулли

Суммарные потери h_Σ складываются из потерь по длине h_l и местных h_м

,

.

Выбираем плоскость (ось) сравнения, совпадающей с осью горизонтальной части трубопровода, а сечения 1-1 и 2-2 совпадающими со свободными поверхностями в сосудах, рис. 2.1.

Физический смысл уравнения для схемы 1 следующий: потенциальная энергия положения частично преобразуется в кинетическую энергию жидкости, вытекающей в атмосферу и частично превращается в тепло. Для схемы 2 имеем H=h_пот, т.е. вся потенциальная энергия полностью преобразуется в тепло.

Уравнения баланса энергии для обеих схем имеют одинаковый вид, а именно

В случае схемы 2 из всей суммы коэффициентов местных сопротивлений выделяется коэффициент внезапного расширения при входе трубы в емкость 2 (он равен единице, т.е. z = 1).

Если труба круглая, то (2.6) преобразуется к виду (V = 4Q/pd 2 )

Это уравнение будем в дальнейшем называть уравнением для расчета простого трубопровода.

Задача 2.1. Вывести уравнение для расчета простого трубопровода при перетекании жидкости из одного закрытого резервуара в другой под действием силы тяжести и давления газа на поверхностях. Рассмотреть случаи:

а) перетекание из 1 в 2; б) перетекание из 2 в 1; в) жидкость покоится. Написать условия перетекания и сделать краткий анализ решения.

Дата добавления: 2015-08-01 ; просмотров: 1174 ; ЗАКАЗАТЬ НАПИСАНИЕ РАБОТЫ

Видео:Закон БернуллиСкачать

Основное расчетное уравнение простого трубопровода

При расчетах напорных трубопроводов основной задачей является либо определение пропускной способности (расхода), либо потери напора на том или ином участке, равно как и на всей длине, либо диаметра трубопровода на заданных расходе и потерях напора.

В практике трубопроводы делятся на короткие и длинные. К первым относятся все трубопроводы, в которых местные потери напора превышают 5…10% потерь напора по длине. При расчетах таких трубопроводов обязательно учитывают потери напора в местных сопротивлениях. К ним относят, к примеру, маслопроводы объемных передач.

Ко вторым относятся трубопроводы, в которых местные потери меньше 5…10% потерь напора по длине. Их расчет ведется без учета местных потерь. К таким трубопроводам относятся, например, магистральные водоводы, нефтепроводы.

Учитывая гидравлическую схему работы длинных трубопроводов, их можно разделить также на простые исложные. Простыми называются последовательно соединенные трубопроводы одного или различных сечений, не имеющих никаких ответвлений. К сложным трубопроводам относятся системы труб с одним или несколькими ответвлениями, параллельными ветвями и т.д. К сложным относятся и так называемые кольцевые трубопроводы.

Жидкость по трубопроводу движется благодаря тому, что ее энергия в начале трубопровода больше, чем в конце. Этот перепад уровней энергии может создаваться несколькими способами: работой насоса, разностью уровней жидкости, давлением газа.

Рассмотрим простой трубопровод постоянного сечения, который расположен произвольно в пространстве (рис. 6.1), имеет общую длину l и диаметр d, а также содержит ряд местных сопротивлений (вентиль, фильтр и обратный клапан). В начальном сечении трубопровода 1-1 геометрическая высота равна z₁ и избыточное давление Р₁, а в конечном сечении 2-2 — соответственно z₂ и Р₂. Скорость потока в этих сечениях вследствие постоянства диаметра трубы одинакова и равна ν.

Запишем уравнение Бернулли для сечений 1-1 и 2-2. Поскольку скорость в обоих сечениях одинакова и α₁ = α₂, то скоростной напор можно не учитывать. При этом получим

Пьезометрическую высоту, стоящую в левой части уравнения, назовем потребным напором Н_потр. Если же эта пьезометрическая высота задана, то ее называют располагаемым напором Н_расп. Такой напор складывается из геометрической высоты H_потр, на которую поднимается жидкость, пьезометрической высоты в конце трубопровода и суммы всех потерь напора в трубопроводе.

Назовем сумму первых двух слагаемых статическим напором, который представим как некоторую эквивалентную геометрическую высоту

а последнее слагаемое Σh — как степенную функцию расхода

где K — величина, называемая сопротивлением трубопровода;
Q — расход жидкости;
m — показатель степени, который имеет разные значения в зависимости от режима течения.

Для ламинарного течения при замене местных сопротивлений эквивалентными длинами сопротивление трубопровода равно

Численные значения эквивалентных длин l_экв для различных местных сопротивлений обычно находят опытным путем.

Для турбулентного течения, используя формулу Вейсбаха-Дарси, и выражая в ней скорость через расход, получаем

По этим формулам можно построить кривую потребного напора в зависимости от расхода. Чем больше расход Q, который необходимо обеспечить в трубопроводе, тем больше требуется потребный напор Н_потр. При ламинарном течении эта кривая изображается прямой линией (рис.6.2, а), при турбулентном — параболой с показателем степени равном двум (рис.6.2, б).

Крутизна кривых потребного напора зависит от сопротивления трубопровода K и возрастает с увеличением длины трубопровода и уменьшением диаметра, а также с увеличением местных гидравлических сопротивлений.

Величина статического напора Н_ст положительна в том случае, когда жидкость движется вверх или в полость с повышенным давлением, и отрицательна при опускании жидкости или движении в полость с пониженным давлением. Точка пересечения кривой потребного напора с осью абсцисс (точка А) определяет расход при движении жидкости самотеком. Потребный напор в этом случае равен нулю.

Иногда вместо кривых потребного напора удобнее пользоваться характеристиками трубопровода.Характеристикой трубопровода называется зависимость суммарной потери напора (или давления) в трубопроводе от расхода:

Простые трубопроводы могут соединяться между собой, при этом их соединение может бытьпоследовательным или параллельным.

Последовательное соединение. Возьмем несколько труб различной длины, разного диаметра и содержащих разные местные сопротивления, и соединим их последовательно (рис. 6.3, а).

При подаче жидкости по такому составному трубопроводу от точки М к точке N расход жидкости Q во всех последовательно соединенных трубах 1, 2 и 3 будет одинаков, а полная потеря напора между точками М и Nравна сумме потерь напора во всех последовательно соединенных трубах. Таким образом, для последовательного соединения имеем следующие основные уравнения:

Эти уравнения определяют правила построения характеристик последовательного соединения труб (рис. 6.3, б). Если известны характеристики каждого трубопровода, то по ним можно построить характеристику всего последовательного соединения M-N. Для этого нужно сложить ординаты всех трех кривых.

Параллельное соединение. Такое соединение показано на рис. 6.4, а. Трубопроводы 1, 2 и 3 расположены горизонтально.

Обозначим полные напоры в точках М и N соответственно H_M и H_N , расход в основной магистрали (т.е. до разветвления и после слияния) — через Q, а в параллельных трубопроводах через Q₁, Q₂ и Q₃; суммарные потери в этих трубопроводах через Σ₁ , Σ₂ и Σ₃.

Очевидно, что расход жидкости в основной магистрали

Выразим потери напора в каждом из трубопроводов через полные напоры в точках М и N :

Отсюда делаем вывод, что

т.е. потери напора в параллельных трубопроводах равны между собой. Их можно выразить в общем виде через соответствующие расходы следующим образом

где K и m — определяются в зависимости от режима течения.

Из двух последних уравнений вытекает следующее правило: для построения характеристики параллельного соединения нескольких трубопроводов следует сложить абсциссы (расходы) характеристик этих трубопроводов при одинаковых ординатах ( Σ h). Пример такого построения дан на рис. 6.3, б.

Разветвленное соединение. Разветвленным соединением называется совокупность нескольких простых трубопроводов, имеющих одно общее сечение — место разветвления (или смыкания) труб.

Пусть основной трубопровод имеет разветвление в сечении М-М, от которого отходят, например, три трубы1, 2 и 3 разных диаметров, содержащие различные местные сопротивления (рис. 6.5, а). Геометрические высоты z₁, z₂ и z₃ конечных сечений и давления P₁, P₂ и P₃ в них будут также различны.

Так же как и для параллельных трубопроводов, общий расход в основном трубопроводе будет равен сумме расходов в каждом трубопроводе:

Записав уравнение Бернулли для сечения М-М и конечного сечения, например первого трубопровода, получим (пренебрегая разностью скоростных высот)

Обозначив сумму первых двух членов через H_ст и выражая третий член через расход (как это делалось в п.6.1), получаем

Аналогично для двух других трубопроводов можно записать

Таким образом, получаем систему четырех уравнений с четырьмя неизвестными: Q₁, Q₂ и Q₃ и H_M.

Построение кривой потребного напора для разветвленного трубопровода выполняется сложением кривых потребных напоров для ветвей по правилу сложения характеристик параллельных трубопроводов (рис. 6.5, б) — сложением абсцисс (Q) при одинаковых ординатах (H_M). Кривые потребных напоров для ветвей отмечены цифрами 1, 2 и 3 , а суммарная кривая потребного напора для всего разветвления обозначена буквами ABCD. Из графика видно, что условием подачи жидкости во все ветви является неравенство H_M > H_ст1.

Сложный трубопровод в общем случае составлен из простых трубопроводов с последовательным и параллельным их соединением (рис. 6.6, а) или с разветвлениями (рис. 6.6, б).

Рассмотрим разомкнутый сложный трубопровод (рис. 6.6, б). магистральный трубопровод разветвляется в точках А и С. Жидкость подается к точкам (сечениям) B, D и E с расходами Q _B и Q_D и Q_E .

Пусть известны размеры магистралей и всех ветвей (простых трубопроводов), заданы все местные сопротивления, а также геометрические высоты конечных точек, отсчитываемые от плоскости M — N и избыточные давления в конечных точках P_B и P_D и P_E.

Для этого случая возможны два вида задач:

Задача 1. Дан расход Q в основной магистрали M_A. Необходимо определить расходы Q_B и Q_D и Q_E, а также потребный напор в точке М.

Задача 2. Дан напор в точке М. Определить расход в магистрали Q и расходы в каждой ветви.

Обе задачи решают на основе одной и той же системы уравнений, число которых на единицу больше числа конечных ветвей, а именно:

уравнение равенства потребных напоров для ветвей CD и CE

уравнение равенства потребных напоров для ветви АВ и сложного трубопровода АСЕD

выражение для потребного напора в точке М

Расчет сложных трубопроводов часто выполняют графоаналитическим способом, т.е. с применением кривых потребного напора и характеристик трубопроводов. Кривую потребного напора для сложного трубопровода следует строить следующим образом:
1) сложный трубопровод разбивают на ряд простых;
2) строят кривые потребных напоров для каждого из простых трубопроводов;
3) складывают кривые потребных напоров для ветвей (и параллельных линий, если они имеются) по правилу сложения характеристик параллельных трубопроводов;
4) полученную кривую складывают с характеристикой последовательно присоединенного трубопровода по соответствующему правилу (см. п.6.2).

Таким образом, при расчете идут от конечных точек трубопровода к начальной точке, т.е. против течения жидкости.

Сложный кольцевой трубопровод. Представляет собой систему смежных замкнутых контуров, с отбором жидкости в узловых точках или с непрерывной раздачей жидкости на отдельных участках (рис. 6.7).

Задачи для таких трубопроводов решают аналогичным методом с применением электроаналогий (закон Кирхгофа). При этом основываются на двух обязательных условиях. Первое условие — баланс расходов, т.е. равенство притока и оттока жидкости для каждой узловой точки. Второе условие — баланс напоров, т.е. равенство нулю алгебраической суммы потерь напора для каждого кольца (контура) при подсчете по направлению движения часовой стрелки или против нее.

Для расчета таких трубопроводов типичной является следующая задача. Дан максимальный напор в начальной точке, т.е. в точке 0, минимальный напор в наиболее удаленной точке Е, расходы во всех шести узлах и длины семи участков. Требуется определить диаметры трубопроводов на всех участках.

Как уже отмечалось выше, перепад уровней энергии, за счет которого жидкость течет по трубопроводу, может создаваться работой насоса, что широко применяется в машиностроении. Рассмотрим совместную работу трубопровода с насосом и принцип расчета трубопровода с насосной подачей жидкости.

Трубопровод с насосной подачей жидкости может быть разомкнутым, т.е. по которому жидкость перекачивается из одной емкости в другую (рис. 6.8, а), или замкнутым (кольцевым), в котором циркулирует одно и то же количество жидкости (рис. 6.8, б).

Рассмотрим трубопровод, по которому перекачивают жидкость из нижнего резервуара с давлением P ₀ в другой резервуар с давлением P₃ (рис. 6.8, а). Высота расположения оси насоса H₁ называетсягеометрической высотой всасывания, а трубопровод, по которому жидкость поступает к насосу,всасывающим трубопроводом или линией всасывания. Высота расположения конечного сечения трубопровода H₂ называется геометрической высотой нагнетания, а трубопровод, по которому жидкость движется от насоса, напорным или линией нагнетания.

Составим уравнением Бернулли для потока рабочей жидкости во всасывающем трубопроводе, т.е. для сечений 0-0 и 1-1 (принимая α = 1):

Это уравнение является основным для расчета всасывающих трубопроводов.

Теперь рассмотрим напорный трубопровод, для которого запишем уравнение Бернулли, т.е. для сечений 2-2и 3-3:

Левая часть этого уравнения представляет собой энергию жидкости на выходе из насоса. А на входе насоса энергию жидкости можно будет аналогично выразить из уравнения:

Таким образом, можно подсчитать приращение энергии жидкости, проходящей через насос. Эта энергия сообщается жидкости насосом и поэтому обозначается обычно H_нас.

Для нахождения напора H_нас вычислим уравнение :

где Δz — полная геометрическая высота подъема жидкости, Δz = H ₁ + H₂;
КQ m — сумма гидравлических потерь,
P₃ и Р₀ — давление в верхней и нижней емкости соответственно.

Если к действительной разности уровней Δz добавить разность пьезометрических высот ( P₃ — Р₀ ) ( ρg ), то можно рассматривать увеличенную разность уровней

и формулу можно переписать так:

Из этой формулы делаем вывод, что

Отсюда вытекает следующее правило устойчивой работы насоса: при установившемся течении жидкости в трубопроводе насос развивает напор, равный потребному.

На этом равенстве основывается метод расчета трубопроводов с насосной подачей, который заключается в совместном построении в одном и том же масштабе и на одном графике двух кривых: напора H_потр = f₁(Q)и характеристики насоса H_нас = f₂(Q) и в нахождении их точки пересечения (рис. 6.9).

Характеристикой насоса называется зависимость напора, создаваемого насосом, от его подачи (расхода жидкости) при постоянной частоте вращения вала насоса. На рис. 6.9 дано два варианта графика: а — для турбулентного режима; б — для ламинарного режима. Точка пересечения кривой потребного напора с характеристикой насоса называется рабочей точкой. Чтобы получить другую рабочую точку, необходимо изменить открытие регулировочного крана (изменить характеристику трубопровода) или изменить частоту вращения вала насоса.

Гидравлическим ударом называется резкое повышение давления, возникающее в напорном трубопроводе при внезапном торможении потока рабочей жидкости. Этот процесс является очень быстротечным и характеризуется чередованием резких повышений и понижений давления, которое связано с упругими деформациями жидкости и стенок трубопровода. Гидравлический удар чаще всего возникает при резком открытии или закрытии крана или другого устройства, управляемого потоком.

Пусть в конце трубы, по которой движется жидкость со скоростью υ₀, произведено мгновенное закрытие крана (рис. 6.10, а).

При этом скорость частиц, натолкнувшихся на кран, будет погашена, а их кинетическая энергия перейдет в работу деформации стенок трубы и жидкости. При этом стенки трубы растягиваются, а жидкость сжимается в соответствии с увеличением давления на величину ΔP_уд, которое называется ударным. Область (сечение n — n), в которой происходит увеличение давления, называется ударной волной. Ударная волна распространяется вправо со скоростью c, называемой скоростью ударной волны.

Когда ударная волна переместится до резервуара, жидкость окажется остановленной и сжатой во всей трубе, а стенки трубы — растянутыми. Ударное повышение давления распространится на всю длину трубы (рис. 6.10, б).

Далее под действием перепада давления ΔP_уд частицы жидкости устремятся из трубы в резервуар, причем это течение начнется с сечения, непосредственно прилегающего к резервуару. Теперь сечение n-nперемещается обратно к крану с той же скоростью c, оставляя за собой выровненное давление P₀ (рис. 6.10, в).

Жидкость и стенки трубы предполагаются упругими, поэтому они возвращаются к прежнему состоянию, соответствующему давлению P₀. Работа деформации полностью переходит в кинетическую энергию, и жидкость в трубе приобретает первоначальную скорость υ₀, но направленную теперь в противоположную теперь сторону.

С этой скоростью весь объем жидкости стремится оторваться от крана, в результате возникает отрицательная ударная волна под давлением P₀ — ΔP_уд, которая направляется от крана к резервуару со скоростью c, оставляя за собой сжавшиеся стенки трубы и расширившуюся жидкость, что обусловлено снижением давления (рис. 6.10, д). Кинетическая энергия жидкости вновь переходит в работу деформаций, но противоположного знака.

Состояние трубы в момент прихода отрицательной ударной волны к резервуару показано на рис. 6.10, е. Так же как и для случая, изображенного на рис. 6.10, б, оно не является равновесным. На рис. 6.10, ж, показан процесс выравнивания давления в трубе и резервуаре, сопровождающийся возникновением движения жидкости со скоростью υ₀.

Очевидно, что как только отраженная от резервуара ударная волна под давлением ΔP _уд достигнет крана, возникнет ситуация, уже имевшая место в момент закрытия крана. Весь цикл гидравлического удара повторится.

Протекание гидравлического удара во времени иллюстрируется диаграммой, представленной на рис. 6.11, а и б.

Штриховыми линиями показано теоретическое изменение давления у крана в точке А, а сплошной действительный вид картины изменения давления по времени (рис. 6.11, а). При этом затухание колебаний давления происходит за счет потерь энергии жидкости на преодоление сил трения и ухода энергии в резервуар.

Повышение давления при гидравлическом ударе можно определить по формуле

Данное выражение носит название формулы Жуковского. В нем скорость распространения ударной волны c определится по формуле:

где r — радиус трубопровода;
E — модуль упругости материала трубы;
δ — толщина стенки трубопровода;
K — объемный модуль упругости (см. п.1.3)

Если предположить, что труба имеет абсолютно жесткие стенки, т.е. E = , то скорость ударной волны определится из выражения

Для воды эта скорость равна 1435 м/с, для бензина 1116 м/с, для масла 1200 — 1400 м/с.

При проектировании напорных трубопроводов следует учитывать, что их пропускная способность в период эксплуатации снижается (например, для водопроводных труб до 50% и даже ниже). Вследствие коррозии и образования отложений в трубах (инкрустации), шероховатость труб увеличивается. Это можно оценить по формуле:

где k₀ — абсолютная шероховатость для новых труб, (мм),
k_t — шероховатость через t лет эксплуатации,
α — коэффициент характеризующий быстроту возрастания шероховатости (мм/год).

Видео:гидравлический расчет трубопроводовСкачать

Лекция 11

11. ГИДРАВЛИЧЕСКИЙ РАСЧЕТ ПРОСТЫХ ТРУБОПРОВОДОВ

12.1. Простой трубопровод постоянного сечения.

12.1.1.Общий вид расчетного уравнения простого трубопровода

12.2.Простой трубопровод между двумя резервуарами.

12.3. Простой трубопровод при истечении в атмосферу.

12.4.Сифонный трубопровод. Вакуум на участке трубопровода.

12.5. Использование приблизительных зависимостей при расчете простого трубопровода.

Замена местных сопротивлений.

Видео:Расчёт простого трубопроводаСкачать

Рекомендуемые файлы

12.6. Три задачи на расчет простого трубопровода.

12.7 Графики напоров

12.1. Простой трубопровод постоянного сечения

Трубопровод называют простым, если жидкость транспортируется по нему от питателя к приемнику без ответвлений потока, но может иметь различные диаметры и включать местные сопротивления.

Трубопроводы, содержащие последовательные, параллельные соединения и разветвления простых трубопроводов называются сложными.

Жидкость движется по трубопроводу за счет того, что энергия, имеющаяся в начале трубопровода больше, чем в конце.

Энергии может быть обеспечена разностью уровней жидкости, работой насоса или давлением газа, например, за счет применения гидроаккумуляторов.

Движение жидкости за счет разности уровней (разности геометрических высот) применяется в гидротехнике и водоснабжении.

В машиностроении движение жидкости обеспечивается работой насоса и гидроаккумуляторами. Гидроаккмуляторы — емкости с разделителем с одной стороны использующие давление газа или пружины для создания запаса энергии с другой стороны рабочую жидкость, заправленную в гидроаккумулятор и находящуюся под действием давления газа.

На рис.12.1 изображен простой трубопровод постоянного сечения расположенный произвольно в пространстве, состоящий из нескольких участков с длиной l_i и диаметром d_i и содержащий местные сопротивления.

Запишем уравнение Бернулли для сечений «1 – 1» и «2-2». Геометрические высоты: z₁ и z₂, избыточные давления: Р₁ и Р₂, скорости: V₁ и V₂.ρ

(12.1)

Σh – сумма потерь на трение по длине и в местных сопротивлениях, а также потерь на входе и выходе из трубопровода.

Гидростатическим напором называется сумма геометрического и пьзометрического напора в данном сечении трубопровода.

где z – геометрический напор, — пьезометрический напор.

Разность гидростатических напоров в в сечениях 1 и 2, называется располагаемым напором — Н_расп, если величина гидростатического напора Н_гст для сечений 1 и 2 известна.

Если величина Н_гст не известна, разность гидростатических напоров называется потребным напором – Н_потр

и ее необходимо определить.

Таким образом, разность может быть располагаемым или потребным напором, в зависимости от наличия или отсутствия исходных данных.

, (12.2)

Используя разность гидростатических напоров из уравнения баланса напоров Бернулли, получаем общий вид расчетного уравнения простого трубопровода

( 12.3 )

Это уравнение показывает, что имеющаяся в нашем распоряжении потенциальная энергиия в виде гидростатического напора затрачивается на преодоление разности скоростных напоров и потерь в местных сопротивлениях и на трение по длине.

Если площади питателя и приемника или длины трубопроводов велики по сравнению с сечением трубопровода, тогда скоростными напорами можно пренебречь, уравнение простого трубопровода принимает вид

(12.4)

В этом случае, потребный напор будет равен сумме сопротивлений в трубопроводе. Располагаемый напор будет затрачиваться на преодоление гидравлических сопротивлений.

Таким образом, уравнение простого трубопровода позволяет решить две задачи.

Первая: в случае известного располагаемого напора определить сопротивления, которые он может преодолеть.

Вторая: в случае известной суммы сопротивлений определить располагаемый напор.

Правая часть равенства (12.4) называется характеристикой трубопровода. Уравнение баланса напоров можно записать в виде

, (12.4′)

где Σh – есть характеристика трубопровода, которая является степенной функцией расхода. Величина К – коэффициент сопротивления трубопровода, а показатель степени m имеет значение, зависящее от режима течения жидкости(ламинарный или турбулентный).

Используя формулу (12.4′) можно построить кривую потребного напора в координатах Н=f(Q), (рис.12.2), то есть зависимость напора от расхода жидкости в трубопроводе.

Величина Н_гст определяет положение характеристики трубопровода относительно начала координат Н-Q.

12.2.Простой трубопровод между двумя резервуарами.

Используем уравнение располагаемого напора для расчета простого трубопровода, который соединяет два резервуара с постоянными уровнями жидкости и состоит из k последовательных участков длиной l_i и диаметром d_i, а также включает местные сопротивления.

Показанные на рис.12.3 уровни жидкости в резервуарах следует рассматривать, как пьезометрические уровни в питателе и в приемнике, поскольку геометрические напоры в их сечениях равны z₁ = z₂, а за плоскость сравнения принята ось трубопровода.

Выражая потери на трение по длине и в местных сопротивлениях формулами

,

получим уравнение простого трубопровода в виде:

(12.5),

где λ _i и ξ _i – коэффициент сопротивления трению и суммарный коэффициент местных сопротивлений на каждом участке, Vi – средняя скорость на каждом участке, Vk – скорость потока на выходе из трубопровода в резервуар, α_kV 2 _k/2g – скоростной напор при выходе из трубопровода в резервуар (потеря напора в выходном сечении трубопровода). Коэффициент Кориолиса α_k = 1 – для турбулентного режима течения, α_k= 2 для ламинарного режима течения.

Используя уравнение неразрывности потоков

получим расчетное уравнение простого трубопровода в виде

, ( 12.6 )

где F_k – площадь выходного сечения трубопровода с диаметром d_к, Fi – площадь трубопровода с диаметром di.

Если трубопровод имеет длину l и диаметр d, при турбулентном режиме α_k = 1, уравнение упрощается

, ( 12.7 )

где Σξ – сумма коэффициентов потерь в местных сопротивлениях.

Из уравнения трубопровода можно выразить скорость

и расход ,

где , μ – коэффициент расхода, а F – площадь сечения трубопровода.

Выражая скорость V = Q/F через расход и использовав значение ускорения свободного падения g = 9,81 м/с 2 , получим уравнение простого трубопровода в виде

(12.8),

12.3. Простой трубопровод при истечении в атмосферу.

При истечении из резервуара в атмосферу (рис.12.3) уравнение Бернулли между сечениями 0-0 и 1-1 имеет вид

(12.9)

где Н – располагаемый напор трубопровода, определяемый высотой пьезометрического уровня, – скоростной напор в выходном сечении, Σhп — сумма потерь.

Так как потери напора при выходе в атмосферу отсутствуют, уравнение (12.9) при подстановке в него суммы потерь переходит в уравнение (12.6),

поэтому уравнение (12.6 ) является общим при истечении под уровень и в атмосферу.

12.4.Сифонный трубопровод. Вакуум на участке трубопровода.

Если часть длины трубопровода находится под вакуумом (например, сифонный трубопровод, область С, рис.12.5), необходимо проверить наибольший вакуум в опасном сечении С:

(12.10)

где h — высота сечения С над начальным уровнем пьезометрическим уровнем в баке питателе; V – скорость в этом сечении; Σh_пС – сумма потерь напора на участке трубопровода до этого сечения. Для обеспечения нормальной бескавитационной работы трубопровода должно выполняться условие

Р_вС 2 /2g по сравнению с потерями на трение по длине и использовать для расчета приблизительные зависимости, введя в них, если это необходимо замену коэффициентов местных сопротивлений на потери по длине

.

( 12.11 )

(12.12)

При такой замене получаем

(13.14)

Для трубопровода, состоящего только из k – последовательных участков труб с различными диаметрами di и длинами Li

(12.15)

12.6 Определение коэффициентов трения

в зависимости от режима течения жидкости.

Расчет трубопроводов связан с выбором коэффициентов ξ местных сопротивлений и коэффициента трения λ.

1. Ламинарный режим. При числе Рейнольдса равном Re ≤ 2300, коэффициент трения определяется по формуле λ=64/Re.

Для определения потерь используем формулу Дарси:

(12.17)

При подстановке λ=64/Re потери на трение в трубопроводе

(12.18)

Если скорость определить через расход V =Q/F = 4Q/(πd 2 )

(12.19)

2.Турбулентный режим Re > 2300.

А.Область гидравлически гладких труб.

При числах Рейнольдса Re_гл ≤ 20d/Δэ, здесь Δэ –эквивалентная абсолютная шероховатость, коэффициент сопротивления трению определяется по формуле Канакова

(12.20)

или по формуле Блазуиса

(12.21)

Подставляя формулу Блазиуcа в формулу Дарси

(12.22)

Зависимость λ от Re для гидравлически гладких труб дана в справочниках или ее можно взять в задачнике на стр.228.

К этой области относятся технически гладкие трубы , цельнотянутые из цветных металлов, во всем диапазоне их практического применения по числам Re, а также стальные трубы до чисел Re ориентировочно равных Re_гл ≥ 20d/Δ.

При числах Рейнольдса 20d/Δ ≤Re ≤ 500 d/Δ в переходной области λ зависит и от числа Re и от относительной гладкости.

Значения λ в функции Re и относительной гладкости d/Δ по данным теплотехнического института, приведены в справочниках в виде графика Мурина в задачнике.

Можно применять для определения коэффициента λ формулу Альтшуля.

(12.23)

Средние значения эквивалентной шероховатости для новых труб Δ =0,1мм, для бывших в употреблении Δ = 0,2 мм.

В. Область гидравлически шероховатых труб.

При числах Рейнольдса Re ≥ 500 d/Δ коэффициент λ зависит только от шероховатости. Для определения значений коэффициента λ можно использовать формулу Никурадзе

(12.24 )

Или формулу Шифринсона

( 12.24 )

Для старых стальных и чугунных труб, эквивалентная шероховатость до Δ = 1 мм, применимо выражение, где d в м

( 12.24 )

Зависимость λ от d/Δ для квадратичной области дается по таблицам, пример такой таблицы приведен в задачнике на стр.229.

12.6. Три задачи на расчет простого трубопровода.

Задача 1. Даны: расход жидкости Q, кинематическая вязкость жидкости ν, размеры трубопровода l, d шероховатость стенок — Δ.

Найти требуемый напор – Н

1.По известным Q, d, ν находится число Рейнольдса — Re и определяется режим движения.

1.1 При ламинарном режиме, напор определяется по ф-ле

(12.25),

где L = l + Σl_э – приведенная длина трубопровода, эквивалентные длины lэ местных сопротивлений при ламинарном режиме в трубопроводе существенно зависят от числа Рейнольдса: lэ/d = f(Re) .

1.2.При турбулентном режиме Н определяется по формулам:

– короткий трубопровод или

— длинный трубопровод с преобладающими потерями на трение, в котором по известным Re, d и Δ выбирают λ, ξ и lэ, которые позднее войдут в L = l + Σl_э.

Задача 2. Даны: располагаемый напор – Н, размеры трубопровода: l, d, Δ — шероховатость свойства жидкости. Найти расход – Q.

Задача 3. Даны располагаемый напор – Q, длина трубопровода l, шероховатость стенок – Δ. Найти диаметр трубопровода – d.

Из уравнения располагаемого напора определяются искомые величины

12.7 Построение диаграмм напоров в трубопроводе

Последовательность построения диаграмм.

1. Выделение в трубопроводе участков, на которых происходит изменение сечения и участки с местными сопротивлениями.

2. Начало первого участка определяет начало трубопровода, а величину напора — напор в питателе.

Если начало трубопровода связано с потерями, как например, при входе в трубу, начало участка немного смещают влево, чтобы показать качественный участок сжатия струи.

3. Первый участок — вход в трубопровод, в котором происходит сужение потока и увеличение скорости до значения . В конце первого участка от располагаемого напора откладываем потери в данном местном сопротивлении (в сужении) — , а от величины h_м.п. откладываем величину скоростного напора в конце участка. В конце первого участке величина располагаемого напора равна:

Потери, связанные с деформацией потока, входят в величину .

График напоров, построение которого дано на рис.12.8 показывает изменение по длине трубопровода полного напора потока и его составляющих.

4. Линия напора (удельной механической энергии потока ) строится путем последовательного вычитания потерь, нарастающих вдоль потока из начального напора потока (заданного пьезометрическим уровнем в питающем резервуаре).

Там, где имеется местная деформация потока и ход изменения напоров может быть показан только качественно, линии напоров даны штриховой линией).

Построение графика напоров для вертикального трубопровода дано на рис. 12.10.

1. Напоры в каждом сечении откладываются по горизонтали таким образом, чтобы ось трубы являлась началом отсчета пьезометрических напоров.

2.Графики напоров, показывают изменение по длине трубопровода полного напора потока и его составляющих.

Бесплатная лекция: «3. Свойства Z-преобразования» также доступна.

3. Из начального напора потока (заданного пьезометрическим уровнем в питающем резервуаре) вычитаются потери, нарастающие вдоль трубопровода, таким образом, потеря в конце участка формирует (пьезометрический) уровень напора на следующий участок.

4. Пьезометрическая линия (линия изменения гидростатического напора потока) строится путем вычитания скоростного напора в каждом сечении полного напора потока.

Пьезометрический напор Pи/(ρg) в каждом сечении (Ри – избыточное давление) определяется на графике вертикальным расстоянием от центра сечения до пьезометрической линиии;

Скоростной напор -вертикальное расстояние между пьезометрической линией и линией напора. На участках местной деформации потока, где ход изменения напоров может быть показан только качественно, линии напоров даны штриховой линией.

График напора для длинного трубопровода строится упрощенно (рис.12.11), поскольку малость скоростных напоров позволяет рассматривать линию напора и пьезометрическую линию, как совпадающие.

🔥 Видео

Урок гидравлики - 01 - Основные положенияСкачать

Уравнение Бернулли гидравликаСкачать

Как рассчитать диаметр трубопроводаСкачать

Программа Гидросистема (v. 3.0). Расчет простого трубопроводаСкачать

Закон БернуллиСкачать

Эффект Вентури и трубка Пито (видео 16) | Жидкости | ФизикаСкачать

Урок 132. Основные понятия гидродинамики. Уравнение непрерывностиСкачать

(трубомонтаж )направление трубопровода (piping )PIPING derection- ROLLINGСкачать

Урок 133. Закон Бернулли. Уравнение БернуллиСкачать

Устойчивость подземных трубопроводов. Расчетные модели при оценке устойчивости трубопроводаСкачать

Учимся подбирать насос и трехходовой для теплого пола! Теплые полы от А до Я - часть 3Скачать

КАК НАУЧИТЬСЯ ЧИТАТЬ ЧЕРТЕЖИ. ИТП НА БУМАГЕ.Скачать

Задача на гидравлику расширение и сужение в трубопроводеСкачать

Парадокс сужающейся трубыСкачать

Video 11 П2 Гидравлический расчет трубопроводаСкачать

Режимы течения жидкости, ламинарный и турбулентный режимыСкачать