книги / Основы пневмоавтоматики
..pdfнекоторого значения, называемого критическим, остается посто янным, сколько бы ни уменьшалось давление /?2- Указанное яв
ление объясняется тем, что некоторому критическому значению давлений ркр = (р21р\)кр на выходе дросселя соответствует кри
тическая скорость, равная скорости звука и являющаяся макси мальной при данных условиях.
Для получения потока, имеющего скорость, большую, чем скорость звука, необходимо применять специальные средства, на пример различного типа сопла (геометрическое, тепловое, меха ническое и т. д .). В практике получения сверхзвуковых скоростей большое распространение получило сопло Лаваля. Течение газа со сверхзвуковыми скоростями рассматривается в специальных разделах газовой динамики, и эти вопросы в настоящей книге не освещены. Заметим, что возмущения в воздухе распространяют ся со скоростью звука. Со скоростью звука будет распростра няться и волна разрежения, возникающая, например, от вакуумнасоса, откачивающего воздух из пространства после дросселя. Однако при надкритическом истечении возникающая на срезе сопла звуковая скорость истечения не позволит возмущению из вне проникнуть внутрь сосуда, из которого происходит истечение, и в какой-либо мере повлиять на режим самого течения. Как следует из выражения (2), зависимость безразмерного расхода G/GKр от отношения давлений p2lp\ при изменении давления р2 после дросселя и постоянном pi представляет собой параболу,
левая ветвь которой не отвечает физике явления. Следует отме тить, что увеличение давления р\ перед дросселем ведет к возра
станию расхода и при установлении звуковой скорости на срезе дросселя. В этом случае звуковая скорость не мешает проникно вению возмущений к отверстию, из которого происходит истече ние воздуха.
Формула для надкритического истечения получается из фор мулы (2) путем подстановки значения ркр. Для нахождения ркр продифференцируем по р = p2lp\ выражение, стоящее в квадрат
ных скобках формулы (2), и приравняем результат нулю. Зна чение коэффициента расхода \i принимается постоянным. Тогда
получим
пк
Решая последнее уравнение относительно р, находим зна чение
k
при котором расход достигает максимального значения GKP. Подставляя в последнее выражение значение k = 1,4, нахо
дим, что для воздуха 'ркр = 0,528.
31
Формула для расчета надкритического истечения газа полу чается из формулы (2) путем подстановки вместо pdp\ отноше ния (p2/pi)K и имеет вид
|
|
|
|
2 |
|
G = |xFp! У |
_2____ k _ |
2 |
>.— l |
|
|
RTt |
k + \ k + 1 |
|
|||
|
|
||||
|
- ^ < 0 ,5 2 8 . |
|
|
(3) |
|
|
Pi |
|
|
|
|
Выражения (2) и (3) носят название |
|
формул |
Сен-Венана |
||
Ванцеля. |
|
формулы |
|
следует, |
что расход |
Из рассмотрения последней |
|
при надкритическом истечении зависит от давления перед дрос селем р\ и не зависит от давления после дросселя р2.
Аналогично находят формулы для расчета |
расхода воздуха |
и для других термодинамических процессов: |
изотермического, |
изобарического и т. д. Следует заметить, что значения рК для различных процессов различны.
При расчете и проектировании систем пневмоавтоматики для нахождения массового расхода воздуха через дроссели при тур булентном режиме течения часто применяют более простые фор мулы. А именно, для докритического истечения, когда pdp\ ^
(4)
а для надкритического истечения, когда pdpi ^ 0,5,
e - v-Fp' V |
<5> |
Покажем, что критическое отношение давлений для формул
(4) и (5) равно 0,5. Действительно, продифференцируем выра
жение, стоящее в квадратных скобках формулы (4), по р = —
Р1
и результат приравняем нулю, тогда получим 1—2(p2//?i)i:p = 0. Отсюда находим, что рКр = {pdpi)кр = 0,5. Приведенные фор
мулы (4) и (5) довольно точно аппроксимируют точные форму лы (2) и (3). Максимальная относительная погрешность при расчете расходов воздуха по приближенным формулам не пре вышает 3,4%.
И, наконец, при малых перепадах давлений на дросселе, ког да можно пренебречь изменением плотности, можно вести рас чет расхода по формулам гидравлики, справедливым для тече ния несжимаемой жидкости:
G = n F V 2р V P i — р2-
32
При расчетах расхода газа через жиклер важное значение имеет определение коэффициента расхода р. Коэффициент рас хода для жиклеров со скругленной входной кромкой, с фаской на входе в канал и для ряда других жиклеров находят по фор муле
1 |
(6) |
|Л= , |
|
У 1 + £вх |
|
где £вх — коэффициент сопротивления на входе, |
зависящий от |
условий входа потока в жиклер. |
|
Потери на выходе автоматически учитываются тем, что в рас четные формулы подставляют давление той среды, в которую происходит истечение, а не давление в самом узком сечении струи на выходе ее из дросселя.
Коэффициент U зависит от типа жиклера. Эксперименталь ные графики зависимости коэффициента сопротивления £вх от различных условий входа потока в жиклер представлены на рис. 12 [24]. Приведенные графики сняты для дросселей, имею щих подводящий канал, площадь которого F0 значительно боль ше площади проходного сечения дросселя F. Если F0 соизмери
ма с F, то значение £вх, полученное по графикам, следует умно
жить на величину |
(1 — F/F0). Из |
рассмотрения приведенных |
экспериментальных |
характеристик |
можно сделать следующие |
выводы. При достаточно большом радиусе г скругления кромки
коэффициент сопротивления на входе уменьшается практически до нуля (рис. 12, а). В довольно широких пределах коэффици
ент сопротивления можно изменять путем подбора угла фаски <р и ее глубины /ф (рис. 12, б, в). Коэффициент сопротивления жик
лера зависит также от отношения толщины стенки к диаметру, отношения расстояния Ът торца трубки до стенки к диаметру (рис. 12, г) и от отношения расстояния до экрана (стенки) от торца отверстия к диаметру (рис. 12, д).
Для отверстия в тонкой стенке коэффициент расхода можно
определить по формуле ц = |
0,8х, |
где х — коэффициент сжатия |
(сужения) струи, о котором шла речь ранее. |
||
Значения коэффициента |
х [24], |
учитывающего уменьшение |
расхода в связи с изменением профиля скоростей на выходе из отверстия, для воздуха при отношениях р^Рх = 0,676 -г- 0,529 были получены С. А. Чаплыгиным и при отношениях pdpx =
= 0,037 — Ф. И. Франклем.
Как было показано ранее, в жиклерах имеет место турбу лентный режим течения при числах Рейнольдса Re ^ 2300. Од нако при очень малых диаметрах каналов и при малых значени ях перепада может существовать и ламинарное течение, что соответствует уже ламинарному дросселю.
Жиклеры получили широкое распространение в системах пневмоавтоматики и применяются как постоянные дроссели для
3 Заказ 993 . |
33 |
обеспечения необходимого перепада давлений, в управляющих усилителях типа сопло — заслонка, при построении квадраторов и других вычислительных, а также логических пневматических устройств.
Рис. 12. Графики зависимости коэффициента сопротивления от различ ных условий входа:
а — для жиклера |
со скругленной |
еходной кромкой; б — для жиклера с фаской |
||
в зависимости |
от |
угла фаски для |
постоянного значения |
/ ф /cf = 0,6; в — то же, |
в зависимости |
от |
отношения /ф /d |
для постоянного угла |
фаски; ср = 60°; г — для |
дросселя |
типа |
трубка |
в стенке; |
д — для жиклера |
с |
экранированным |
входом; |
|
1 |
— = |
0; 2 |
------ — = |
0,005; 3 |
----- — = 0,01; 4 ------— |
= 0,019; 5 -----— |
= 0,035; |
|
|
d |
|
d |
|
d |
d |
d |
|
|
|
|
|
|
6 ----- — > 0,05 |
|
|
|
|
|
|
|
|
d |
|
|
|
Пневматическое сопротивление типа капилляр. Пневматиче ское сопротивление подобного типа может быть выполнено в ви де длинной трубки или канала, имеющего прямоугольную, круг лую или иную форму сечения, у которого отношение длины к диаметру или к условному диаметру, равному 4RT*, велико.
Характер течения в каналах такого дросселя — ламинарный.
* Гидравлическим радиусом Rr называют отношение площади живого се чения потока к смоченному периметру.
34
Если перепад давлений на дросселе рассматриваемого типа изменяется незначительно по сравнению с абсолютными их зна чениями, то течение газа можно рассматривать как течение не сжимаемой жидкости (р = const). В этом случае расход воздуха зависит линейно от перепада давлений, а именно:
G = |
а(/7,— р2), |
|
|
где а — проводимость дросселя (величина, обратная |
сопротив |
||
лению). |
|
ламинарных |
дросселей |
Свойство линейности характеристик |
|||
используется для построения |
многих |
управляющих |
устройств |
пневмоавтоматики. Поэтому, хотя в общем случае и надо учи тывать коэффициенты сопротивления на входе в капилляр и на выходе из него, можно приблизительно (при р = const) считать, что коэффициент сопротивления
По длине капилляра в процессе течения газа формируется параболический профиль скоростей. Участок, на котором проис ходит формирование профиля скоростей, называется начальным. Длина /н начального участка ламинарного течения зависит от диаметра капилляра d и числа Рейнольдса и определяется для
капилляра круглого сечения по формуле /н = 0,029dRe. Поскольку капилляр имеет постоянную температуру 71, про
цесс течения газа по капилляру можно считать изотермическим. Будем считать, что параболический профиль скоростей сформи рован. При течении несжимаемой жидкости (р = const) парабо лический профиль будет оставаться одинаковым во всех сечени: ях. В случае течения газа, когда р = var, параболический про филь скоростей меняется от сечения к сечению.
Рассмотрим установившийся процесс течения газа в капилля ре круглого сечения между плоскостями АА и ББ (рис. 13). Так
как воздух является сжимаемой средой, его плотность по длине капилляра I меняется от одного сечения к другому. Выделим
внутри капилляра соосный с ним элементарный цилиндри ческий участок канала длиной dx, отстоящий от сечения ББ на
расстоянии х, внутри которого плотность можно считать посто янной.
Составим условие равновесия всех сил, действующих на вы деленный элементарный цилиндрический участок струйки возду
ха длиной dx и радиусом у. |
давления, действующая на |
||
Сила |
гидродинамического |
||
торцовые |
поверхности элементарного |
цилиндра при разно |
|
сти давлений dp, направлена |
вдоль |
оси капилляра й равна |
|
ny2dp. |
|
|
|
Сила трения, возникающая на боковой поверхности элемен тарного цилиндра при его движении, равна величине 2nyxdx.
3* |
35 |
Касательные напряжения, или напряжения трения т, возни кающие в вязкой жидкости, выражаются формулой Ньютона1:
dv
т =
Знак минус взят потому, что производная от скорости течения воздуха по радиусу — величина отрицательная, а напряжение трения по смыслу — величина положительная 2.
/в |
|
D |
|
«N1 |
|
|
1 |
|
I— |
|
II |
|
|
|
)}}} |
|
- |
1 |
||
Pi. |
Р2 |
Р1 |
||||
ш |
|
“Рг |
||||
Г |
Ш |
|
|
|
|
|
1 |
|
у В |
|
|
|
|
А |
(/X ^ X |
|
|
|
||
r |
L |
|
|
- 1 ___ . |
||
|
а) |
|
|
б) |
|
|
Рис. 13. К расчету течения газа в капилляре: |
|
|||||
а |
— элемент потока; б |
— схегятг |
катшлляра |
|
Записывая условие равновесия сил, получим следующее урав нение:
d v = - J B - |
1 ydy. |
dx |
2цд |
Имея в виду, что р не зависит от у (р не меняется в преде
лах одного сечения) и х не зависит от у, т. е. в целом и — не dx
зависит от у> можно последнюю производную вынести за знак интеграла и проинтегрировать по у. Тогда
v = |
1 |
dp у2 + с. |
|
2Н |
dx |
Постоянную интегрирования с найдем из условия, что на стенке скорость равна нулю, т. е. v = 0 при у = г, где г — радиус
капилляра. Тогда получим следующее выражение для местной скорости:
v = 1 |
.-*£-(Г>-у2). |
(7) |
4рд |
|
|
1 Коэффициент динамической |
вязкости можно определять для |
воздуха |
|
кг, |
|
по формуле Цд = 1,71 *10—5 + 4,94-10-8 t°С [— ].
du
2 Действительно, тангенс угла наклона касательной —— к. кривой про
филя скоростей — величина отрицательная.
36
Если по капилляру течет несжимаемая жидкость, то профиль скоростей будет оставаться постоянным во всех сечениях, и, сле довательно, v не будет зависеть от х. Тогда можно проинтегри
ровать уравнение (7) второй раз:
О |
Рч |
и окончательно
^ = ^ (г 2— у2).
Подсчитаем объемный расход
Г |
л г*. |
Q = 2n | vydy = dp |
|
dx |
8цд |
О |
|
Для несжимаемой жидкости Q = const, и полученное уравне
ние для этого случая можно проинтегрировать еще раз и полу чить окончательное выражение для объемного расхода
Q ( dx = —— г4 Г dp |
и Q = |
8*у |
|
J |
8цд J |
^ |
орг
Найдем выражение для массового расхода G воздуха с уче
том его сжимаемости. В пределах элементарного участка струи dx плотность постоянна. Однако на протяжении всей длины /
капилляра от сечения к сечению плотность, в силу сжимаемо сти воздуха, является переменной величиной. Находя из уравне ния состояния значение р и подставляя в формулу для массового расхода, получим следующее выражение:
G = Qp = J ^ |
Р |
(8) |
|
|
dx |
RT |
|
откуда после интегрирования |
|
|
|
G = |
ndA |
|
(9) |
256\Lr IRT |
|
||
|
|
|
где- d = 2r.
Уравнения (8) и (9) называются формулами Пуазейля для сжимаемой вязкой жидкости.
При выводе формул предполагалось, что профиль скоростей параболический. Это предположение оправдано тем, что участок, ограниченный сечениями АА и ББ, был выбран за пределами
начального участка. При расчете расхода воздуха через капил ляр, включенный по схеме, показанной на рис. 13, б, следует
37
иметь в виду, что здесь уже не наблюдается параболическое рас пределение скоростей по диаметру во всех сечениях. На началь ном участке капилляра /н будет происходить формирование про филя скоростей, т. е. на начальном участке профили скоростей в различных сечениях не будут параболическими. Однако, если перепад давлений р\ — р2 достаточно мал, а отношение l/d ве лико, то значение /н по отношению к I будет весьма незначи
тельным и им можно пренебречь.
Рис. 14. Схемы для расчета течения через щели:
а, б — между двумя плоскими |
пластинами; в, г, |
д — между |
втулкой |
и |
поршнем |
|
|
Как известно [9], коэффициент кинетической энергии а, вхо |
|||
дящий в уравнение Бернулли, |
для капилляра в случае несжи |
||
маемой жидкости равен 2. |
|
вязкой |
сжимаемой |
Проведем расчет ламинарного течения |
|||
жидкости в капилляре типа тонкой плоской щели. |
Рассмотрим |
процесс течения воздуха между двумя плоскостями (рис. 14, а, б) по щели прямоугольного сечения. Пусть высота щели равна а, длина /, ширина Ь. Выделим внутри щели элементарный участок длиной dx, в пределах которого плотность постоянна. Ось х на правим по длине щели на расстоянии а/2 от верхней плоскости, ось у — в направлении высоты щели. Кроме того, будем считать,
что Ь > а , при этом условии течение в щели можно рассматри вать как течение между двумя плоскостями. На выделенный элемент газа действуют силы, обусловленные давлением р и p + dp, а также касательным напряжением т. Сила, действующая слева, равна 2(р + dp) by, а справа — 2pby; суммарная сила от касательных напряжений равна 2bdxx.
Условие равновесия всех сил, действующих на выделенный
элемент, можно записать так:
— 2pby + 2 (р + dp)by— 2bdxx = 0.
38
Раскрывая скобки и приводя |
подобные члены, получим |
dpy = тdx, откуда следует, что т = |
у ^ - . Вместе с тем, учитывая, |
что на основании закона вязкого трения Ньютона т = —р,д— , и dy
приравнивая правые части в выражениях для касательных на пряжений, найдем, что
dp dv
Так как производная — |
не зависит |
от у и, следовательно, |
||
|
dx |
|
|
|
может быть вынесена за знак интеграла, получим |
||||
и = |
1 |
dp |
+ |
С. |
|
dx |
|||
|
|
2 |
|
Постоянную интегрирования с находят из следующих гранич ных условий: при у = а/2, v = 0. Определив постоянную интегри
рования для профиля скоростей |
в щели, находим следующую |
|||
зависимость: |
а2 |
dp |
|
2У_ |
1 |
1 — |
|||
V = - |
8 |
dx |
а |
|
рд |
|
Для несжимаемой жидкости последнее уравнение можно про интегрировать второй раз аналогично тому, как это было сдела но для расчета течения в круглом капилляре. Получим оконча
тельное выражение для местной скорости |
|
|||
v = - 1 |
а2 |
{р\ —р2) |
- |
( 10) |
цд |
8 |
I |
т |
Найдем максимальную скорость течения несжимаемой жид кости в капилляре прямоугольного сечения. Скорость течения будет максимальной, если член, стоящий в квадратных скобках формулы (10), будет иметь максимальное значение, т. е. равен единице, что соответствует у = 0. Поэтому
„Q2 (/7I — /72)
т а х _ |
8Цд/ |
* |
Заметим, что, так как Ъ |
а, ширина щели Ъ не входит в фор |
мулы для подсчета скорости.
Вычислим объемный расход несжимаемой жидкости, проте
кающей через щель:
а
2
Q = 2 J bvdy.
Подставив значения скорости v и выполнив интегрирование,
найдем
a3b(Pl—p2)
Q
39
Учитывая, что объемный расход равен произведению площади сечения F = аЪ щели на среднюю скорость, можно записать
Q = “Т Т ” ab = ab- уср,
11о
откуда следует, что средняя скорость при течении несжимаемой жидкости в щели
Vср |
^тах |
( И ) |
|
1,5 |
|||
|
|
Определим массовый расход газа, протекающего через щель прямоугольного сечения, с учетом его сжимаемости. На прр'Гяжении длины I плотность воздуха в силу сжимаемости будет вели
чиной переменной. Считая процесс течения изотермическим и
Р |
|
|
учитывая, что р = -----, получим |
|
|
RT |
|
|
Q _ dp |
р |
аъЬ |
dx |
RT |
12|1д |
После интегрирования найдем
а?Ь
G =
24рдIRT
Вычислим значение коэффициента кинетической энергии а
для случая течения несжимаемой жидкости по щели. Для этого подставим выражения (10) и (11) в формулу искомого коэффи циента
Jрv3dF
а= ----------
P"cV
Выполняя интегрирование, окончательно найдем, что коэффи циент кинетической энергии для узкой щели и ~ 1,54.
Таким образом, величины коэффициентов кинетической энер гии для капилляра круглого сечения и капилляра типа щели прямоугольного сечения не совпадают. Это объясняется тем, что при течении газа в капилляре круглого сечения неравномерность поля скоростей проявляется в большей степени.
В практике проектирования элементов пневмоавтоматики
(дросселей |
и т. п.) |
встречается еще один |
важный случай лами |
|
нарного |
течения |
газа — течение по |
кольцевому |
зазору |
(рис. 14, в). Вывод формул течения газа |
по капилляру |
с коль |
цевым зазором аналогичен выводу формул для щели с той лишь разницей, что за ширину принимается длина окружности сред него диаметра d = 2г (рис. 14, г). Выделим некоторый элемент потока газа (рис. 14, <3) с центральным углом dy и длиной dx.
40