Добавил:
Upload Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:
Механика жидкости и газа.doc
Скачиваний:
5
Добавлен:
01.07.2025
Размер:
3 Мб
Скачать
☆

Трубопровод с непрерывным расходом по длине

Выше рассматривались только случаи , когда расход жидкости вдоль трубопровода был постоянный. Однако в практике встречаются случаи, когда жидкость забирается на сторону и расход ее вдоль трубопровода изменяется.

Рассмотрим случай, когда жидкость забирается из трубопровода равномерно по его длине. Обозначим через q расход (количество жидкости), отводимый на сторону с каждой единицы длины трубопровода (рис. 55).

Рисунок 55 - Трубопровод с непрерывным расходом

Обозначим через транзитный расход, проходящий по всему трубопроводу.

Расход в начальной точке трубопровода будет равен .

Если через обозначить расход в точке некоторой С, расположенной на расстоянии Х от начала трубопровода, то можно сказать, что при изменении Х от 0 до L расход будет изменяться от до QT.

Найдем потери напора h для трубы АВ, имеющей расход Q переменный по длине.

Для произвольного сечения(например, Х-Х с точкой С) имеем:

В пределах бесконечно малого участка dx потеря напора равна dh:

,

dh= .

Общие потери получим проинтегрировав выражение в пределах от х=0 до х=L и принимая К=const.Тогда будем иметь:

,

после преобразований получим:

h= ,

где: (называемый путевым расходом).

Если же , то формула преобразовывается к простому виду:

h= .

В более простом виде общее уравнение можно представить так:

h= ,

где: - расчетный расход.

4.7 Понятие об экономически наивыгоднейшем диаметре

В наиболее общей постановке расчета трубопровода подлежат определению его диаметр D и потребный напор H. Рассматриваемая задача имеет множество решений, поэтому исходят из требований оптимальности и технической целесообразности сооружения и эксплуатации трубопровода.

При меньших диаметрах капитальные затраты на его сооружение, меньше чем при больших, Однако уменьшение диаметра ведет к увеличению потерь и потребного напора и, следовательно, к увеличению необходимой мощности насосов.

Экономически наивыгоднейший диаметр должен соответствовать наименьшей полной стоимости S трубопровода, зависящей от капитальных затрат на его сооружение, прокладку и расходов на эксплуатацию.

Искомое значение диаметра может быть определено аналитически, приравняв производную(dS/dD=0),т.е. определив минимум функции затрат. Но чаще его определяют графо-аналитическим способом, построив график S=f(D). Кривая 1 показывает капитальные затраты, кривая 2- эксплуатационные. Кривая 3, получаемая сложением двух кривых (1,2)-полную стоимость трубопровода. Она имеет минимум, который определяет экономически наивыгоднейший диаметр (рис. 56).

Рисунок 56 - Экономически наивыгоднейший диаметр

5 Неустановившееся движение жидкости

5.1 Гидравлический удар в трубопроводе

Как известно, движение жидкости определяется скоростью, давлениями в отдельных точках, а также общей формой потока. Указанные величины являются функциями координат f(x,y,z) а также могут изменяться во времени t0, в связи с чем различают:

-установившееся движение жидкости, при котором скорости, давления не меняются с течением времени, а зависят только от положения в потоке жидкости рассматриваемой точки, являясь функцией координат

V=f(x,y,z); p=f(x,y,z);

где V- скорость движения;

p- гидродинамическое давление;

-неустановившееся движение жидкости, при котором все перечисленные выше компоненты являются функцией не только координат, но и время(т.е. изменяются с течением времени)

V=f(x,y,z,t); p=f(x,y,z.t);

Одной из форм проявления неустановившегося движения жидкости является гидравлический удар, при котором скорость и давление значительно меняются во времени.

Резкое повышение давления в трубопроводах было известно давно. Явление получило название гидравлического удара. Гидравлическим ударом обычно называют резкое повышение давления, возникающее в напорном трубопроводе при внезапном торможении потока жидкости. Гидравлический удар представляет собой колебательный процесс, возникающий в трубопроводе с капельной жидкостью при внезапном изменении ее скорости. Этот процесс является очень быстротечным и характеризуется чередованием резких повышений и понижений давления.

Теоретические исследования начаты давно, однако только в конце прошлого столетия эту задачу решил Н.Е.Жуковский.

Рисунок 57 - Расчетная схема явления гидравлического удара.

Задвижку можно закрыть как угодно быстро, предположим, что закрытие происходит мгновенно. Частицы жидкости мгновенно остановятся около задвижки. Произойдет очень быстрое сжатие этого слоя, и давление в нем увеличится. Это увеличение называется ударным давлением. Затем увеличится давление в следующем слое. Далее сжатие жидкости, сопровождающееся увеличением давление, будет распространяться по всей длине трубы в направлении от задвижки к резервуару.

Найдем расчетные зависимости для определения величины повышения давления .Рассмотрим объем жидкости W от задвижки до слоя n-n длиной и площадью S (рис. 57). Остановившаяся масса жидкости в этом объеме потеряла некоторое количество движения mV за время , в течении которого слой передвинулся от задвижки влево на расстояние :

mV= pS V

Импульс силы за тот же промежуток времени равен .

Приравнивая импульс силы количеству движения, получим:

.

,

где - скорость распространения упругих колебаний

.

В момент достижения волной резервуара вся вода в трубе окажется сжатой, скорость ее движения будет равна нулю , давление больше первоначального. Начинается отток жидкости из трубы в резервуар, при этом давление p уменьшается до начального давления . Затем, после достижения задвижки, начнется послойная остановка жидкости с понижением давления.

В действительности явление гидравлического удара гораздо более сложное, так как стенки трубы обладают упругостью, жидкость тоже обладает упругостью, и, кроме того, возникают сопротивления в трубе, приводящие к затуханию колебаний. Расчеты этих колебаний довольно сложны.

Если бы стенки трубы были абсолютно жесткими. То скорость распространения ударной волны совпадала бы со скоростью распространения звука в жидкости

,

где E - модуль упругости жидкости

- скорость распространения звука

В действительности стенки трубопровода упруги, поэтому скорость распространения ударной волны определяется по формуле:

,

где - кажущаяся вязкость жидкости.

,

где d- диаметр трубы.

E- модуль упругости материала стенок трубы

- толщина стенок трубы

Таким образом формулу Жуковского можно записать в следующем виде:

.

Из формулы видно, что чем выше эластичность материала(то есть, чем меньше модуль упругости E) и чем больше диаметр d и меньше толщина стенки , тем меньше гидравлический удар.

Когда уменьшение скорости жидкости в трубе происходит не до нуля, а до некоторого значения , возникает неполный гидравлический удар и формула Жуковского принимает вид:

.

Формула Жуковского справедлива при очень быстром закрытии крана (вентиля, задвижки) или, точнее говоря, когда время закрытия

< ,

где - фаза гидравлического удара (время побега прямой и обратной отраженной волны).

При выполнении этого условия имеет место прямой гидравлический удар. Если же > то возникает непрямой гидравлический удар, при котором ударная волна, отразившись от резервуара, возвращается к крану раньше, чем он будет полностью закрыт. Очевидно, что повышение давления при этом будет меньше, чем при прямом гидравлическом ударе, а вычислить его можно по формуле:

.

Для предотвращения или смягчения гидравлического удара существует следующие основные способы:

  • Устранение прямого гидроудара, то есть увеличение времени срабатывания кранов и других устройств (наиболее эффективный);

  • Установка на трубопроводах гидро-пневмоаккумуляторов и предохранительных клапанов;

  • Уменьшение скорости движения жидкости в трубопроводах (увеличением диаметра) и уменьшения длины трубопровода (для получения непрямого удара).

Из сказанного следует, что запорные приспособления должны быть медленнодействующими.

Установка воздушных колпаков 1 перед задвижкой 2 (рис. 58) позволяет быстро погасить ударное давление, так как его энергия будет расходоваться на сжатие воздуха, находящегося в колпаке.

Рисунок 58 - Воздушный колпак

Установка противоударных клапанов, которые открываются при повышении давления в трубопроводе и сбрасывают часть жидкости, что позволяет снизить давление.