Добавил:
Upload Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:
Гидравлика(новая)..doc
Скачиваний:
8
Добавлен:
04.05.2019
Размер:
29.59 Mб
Скачать
  1. Ньютоновские жидкости

tgα = μ

μ123

  1. Неньютоновские жидкости

2 – псевдопластичные, а<1

1 – дилатантные, а>1

2 – разбавленные суспензии

1 – концентрированные суспензии

, - кажущаяся вязкость

  1. Бингамовские жидкости

- предел текучести

- коэффициент пластической вязкости

τтр

Движение подобно ньютоновской жидкости

τ0

Поверхностное натяжение.

Работа, необходимая для образования единицы поверхности называется межфазным или поверхностным натяжением , измеряется в н/м в системе СИ. Поверхность раздела между фазами стремится к минимуму под действием поверхностных сил, капли имеют форму, близкую к шару. Поверхностное натяжение уменьшается с увеличением температуры. Величина поверхностного натяжения влияет на смачивание капельными жидкостями твердых материалов ( фильтрование, адсорбция, конденсация).

Давление жидкостей.

Давление жидкости на единицу поверхности называется гидростатическим давлением.

р=Р /F,

где Р – сила давления жидкости на поверхность F.

Если жидкость налита в сосуд, то сила давления, действующая на его дно равна весу жидкости в сосуде:

Р= FН g,

где F – площадь дна сосуда, Н – высота столба жидкости, плотность жидкости, g – ускорение свободного падения.

Следовательно

р= Н g,

т.е. давление жидкости на дно сосуда равно весу столба жидкости высотой Н с площадью основания 1м2.

Если давление над жидкостью равно р0 то гидростатическое давление будет равно :

р = р0 +Н g.

Давление на вертикальные или наклонные стенки сосуда не является постоянным по высоте стенки, поэтому гидростатическое давление в каждой точке сосуда рассматривается как предел отношения силы давления ΔР к элементарной площади ΔF при F стремящейся к нулю.

р =lim ΔР / ΔF

Давление направлено по нормали к площадке, на которую оно действует одинаково по всем направлениям.

Размерность давления в системе СИ [н/м2 = Па].Существуют внесистемные единицы измерения давления:

Атм- давление , которое оказывает столб ртути высотой 760 мм, или столб воды высотой 10,33 м = 101 300 н/м2 ( физическая атмосфера).

Ата- давление , которое оказывает столб ртути высотой 735,6 мм или 10 м водного столба = 98 100н/м2 (техническая атмосфера ).

1Па=1 н/м2 = 10-5 бар.

Уравнение расхода и неразрывности потока.

Рассмотрим движение жидкости

-объемный расход;

G=ρV=ρwfмассовый (весовой) расход, кг/сек., ρ – плотность (кг/м3)

G= ρ1w1f1= ρ2w2f2= … =const, откуда уравнение неразрывности для сжимаемых сред: ρwf =const

Для несжимаемых сред (ρ1= ρ2=… =ρ= const) и имеем:

wf =const

Понятие «сплошная среда»

Силы, действующие в сплошной среде

  1. Массовые силы – силы, пропорциональные массе. Сила тяжести Р=mg. Единичная массовая сила Е.М.С.= - сила, отнесенная к единице массы;имеет размерность ускорения (м/с2). Проекции единицы массовой силы на оси координат:X, Y, Z.

  2. Поверхностные силы – пропорциональны поверхности.

Нормальные поверхностные силы действуют по нормали к поверхности.

Сила давления Р=рF, где р-давление [ ].

Тангенциальные поверхностные силы действуют по касательной к поверхности.

Сила трения (согласно закону Ньютона)

Ртр= - μFтр

Вывод основного уравнения гидродинамики

Основное уравнение гидродинамики характеризует перенос количества движения (импульса) в сплошной среде (жидкости (газе)).

Основной задачей при анализе переноса импульса является определение закономерностей (зависимостей):

p=f(x, y, z, τ); w=φ(x, y, z, τ) – нестационарный режим

p=f(x, y, z,); w=φ(x, y, z,) – стационарный режим.

Рассматриваем баланс сил в отсутствии источников количества движения в элементарном объеме dV=dxdydz

  1. Массовые силы (вопрос о ее направлении решается в каждом конкретном случае).

Тогда (ЕМС)x=X= , откуда

X·m=Xρdxdydz

  1. Нормальные поверхностные силы (силы давления)

pdydz – (p+ dydz= -

  1. Тангенциальные поверхностные силы (силы трения).

Рассматриваем верхнюю и нижнюю грани

HxH·dxdy- τв·dxdy, где dxdy=dfтр

;

;

Тогда Hx:

τH·df – τв·df= = + + - -

μ( + + )dxdydz=μ wxdxdydz

В соответствии со вторым законом Ньютона результирующая массовых и поверхностных сил равна силе инерции, т.к. .

В нашем случае

Xρdxdydz - dxdydz + dxdydz = Fин

Fин=ma=ρdxdydz , где а= - ускорение,тогда:

Xρdxdydz - dxdydz+ = ρdxdydz / :(ρdxdydz) и учитывая, что ν = преобразуем уравнение в следующий вид:

=Х + -

=У+ - Система уравнений Навье - Стокса

=Z+ -

Необходимо иметь в виду, что wx – функция координат и времени, аналогично для wy wz.

Полный дифференциал равен

dwx= dτ+ dx+ dy+ dz ,

имея в виду, что =wx; =wy; =wz ,

делим каждое слагаемое уравнения на :

= + + + = +wx +wy +wz

и аналогично для и

Основы теории гидродинамического подобия:

Существует геометрическое подобие, подобие физических параметров, временное подобие, подобие действующих сил.

Рассмотрим движение реальной жидкости под действием силы тяжести,

то есть движение вдоль оси Z.

Z- +ν( wz)= ,

= +wx + wy + wz

В нашем случае равномерное однонаправленное движение вдоль оси Z , значит ускорение а= =0, wx=wy=0, уравнение можно записать :

= wz = и тогда

Z - + ν( wz) = ; ×dz , тогда

Zdz- dz+ν( wz) dz = ,

так как движение вдоль оси Z происходит под действием силы тяжести,

то Z= -g

+ =

: (критерий Фруда)

: Eu (критерий Эйлера)

: Re (критерий Рейнольдса)

Таким образом получено общее критериальное уравнение гидродинамики

- - + =1 или –Fr - Eu + =1.

Определяемым критерием является Eu (т.к. нас интересует Δр); определяющими Re и Fr, поэтому уравнение Навье- Стокса в критериальном виде можно записать:

Eu= –Fr–1, Eu=f(Re, Fr)

Cочетание базовых критериев подобия, позволяет получить новые критерии, так:

Re2 Fr= = → Ga= - критерий Галилея

Ga = → Ar= - критерий Архимеда

Уравнение Бернулли

Для однонаправленного равномерного движения под действием силы тяжести Уравнение Навье –Стокса имеет вид:

+ ν( wz)= ,

где лапласиан wz= + + .

Распределение скоростей wz по осям не известно, поэтому вводим понятие «идеальная жидкость», для которой =0.

Тогда =0 , разделим обе части на

=d( )=0,

откуда для идеальной жидкости

=0

Для реальной жидкости уравнение Бернулли имеет вид

= + hп, где hп – потерянный напор.

Вывод уравнения Дарси-Вейсбаха

Баланс сил:

Ртр=0

Δ Ртр=0,

где РтртрFтртр

Δ τтр =0→ Δ =

hп= .

Приняли, что ~ , тогда hп~

Ввели коэффициент пропорциональности λ – коэффициент гидравлического сопротивления.

hп = λ - уравнение равномерного движения реальной жидкости, уравнение Дарси-Вейсбаха.

Тогда уравнение Бернулли для реальной жидкости принимает вид:

= +λ

Для ньютоновской жидкости при ламинарном режиме:

λ= ,

Re=104-105 λ= - формула Блазиуса

Re=105-3,4·106 λ=0,0032+0,221·Re-0,237 – формула Никурадзе

Re=104-2·107 λ=0,16/ Re0,16 – формула Женеро.

Для турбулентного режима =2 - 0,8 = - 2

Для автомодельного режима =2 , где ; s – высота выступов шероховатости (для новых стальных труб s=0,1мм, старых – 2мм; для чугунных s=0,25мм)

Применение Уравнения Бернулли

Расчёт простого трубопровода

Уравнение Бернулли для реальной жидкости

Н- располагаемый напор, если - движение возможно

, где - гидравлическое сопротивление прямых участков

- гидравлическое сопротивление фасонных частей

- справочная величина

- скорость движения жидкости

Для длинных трубопроводов

, тогда

Расход

1. Задан расход определить d или задан d – определить расход

- гидравлический уклон – потери напора на 1 м трубопровода

Трубопровод с непрерывным путевым и транзитным расходом

Для простого трубопровода известно, что

w= и υ =

Если на единице длины трубопровода должно отводиться υ[ ], то путевой расход υп .

Иногда требуется, чтобы из последнего сечения уходил дополнительный поток υт – транзитный.

Следовательно, суммарный расход равен (υп+ υт).

Суммарный поток по длине меняется, тогда на участке dx имеем

dhn=λ( )

и

Так как на всем отрезке пути было х отводов с расходом υ[ ], то общий расход

w= , т.е.

dhn= dx

hn = =

hn=

В частном случае, когда υт=0 и hn=

Когда υп=0 → hn=

Истечение жидкости через отверстия

I. истечение при h =const

= +hп

(Z1-Z2)=Н; =

Н= - +hп

Истечение из бокового отверстия

[ +h]=

f0w2=Fw1; w1= w2

Н= w2+hn; где hn=

2gH=[1-( )2] w2+ w2 или 2gH=(1+ ) w2

w= → w=

υ= 0w→ υ = 0 ; =μp → υ = μp 0

Истечение через водослив

= =

= b (H -H )

= bh

Опыт показывает, что толщина струи под порогом соответствует максимальному расходу.

Следовательно, =0

= b ( - )=0,

но b 0.

Тогда = ; (H-h)= ; H= h или h= H

Тогда

= b = b или

= b H

Опорожнение (истечение при переменном уровне)

За время :

-d =Fcdr(м3)

d = f03)

-Fcdr= f0 , откуда

= =-

; ;

Истечение из донных отверстий при постоянном напоре

- скорость перемещения слоёв в сосуде

- скорость истечения

; ;

относ. к самому узкому сечению струи

- коэф. сжатия струи

- к-т расхода

Характеристика реальных жидкостей.

Ньютоновские жидкости.

Сила трения между слоями жидкости может быть выражена уравнением: =μFтр , откуда

τтр= ,

где τтр – напряжение сдвига (касательное); - градиент сдвига.

τтр ;

τтрк( )а а=1 для ньютоновской жидкости.

Неньютоновские жидкости. Бингамовские жидкости

τтрк( )а τтр= τ0п( )

Бингамовские жидкости- осадки

1 – псевдопластичные a<1,разбавленные суспензии

2 – дилатантные a>1, концентрированные суспензии

Режимы движения реальных жидкостей

Ламинарный параллельно-струйчатый режим

Турбулентный (вихревой) режим

Законы ламинарного режима.

  1. Распределение касательного напряжения трения τтр

Ртр= μк( )аFтр, откуда

τтр= =μк( )а

Баланс сил Δр - τтрFтр=0; Δр =τтр , откуда

τтр=

при r =0→τтр=0

при r =R→ τтр= = τmax= τs

  1. Распределение скорости по сечению круглой трубы.

τтр=

μк( )а = ;

( )а =

= [ +[

w= [ ( )

Для ньютоновских жидкостей а=1 и :

w= ( ) параболическое распределение w=f(r)

При этом [ ;

для ньютоновских жидкостей (а=1, )

wмах=

3.Расход и средняя скорость

Изменение расхода dυ=wdf, где df=2πrdr-площадь колечка

w= [ ( )

dυ= [ ( )2πrdr

[ ( )r dr

rdr = R2= =

rdr = dr =

( )dr = ( ) = =

υ = [ = [

Для ньютоновских жидкостей (а=1, )

υ= - уравнение Пуазейля-Гагена

Средняя скорость для ньютоновских жидкостей:

wср= = = , тогда

=

Средняя скорость для неньютоновских жидкостей:

wср= [

Коэффициент гидравлического сопротивления:

Для средней скорости ньютоновской жидкости имеем

wср = = =

Re= ;

w=

=

=

hn= = ,

λ=

Для неньтоновской жидкости:

λ= , где

Re(н.ж.)=

hn= =λ ; = , т.е.Eu= , Eu=

Бимгамовские жидкости

Рассмотрим движение ламинарного потока и стержнеподобное ядро потока

Для ламинарного потока: r>r0 и τтр> τ0

Ртр=Fтр τтр= , откуда

= ;

= - τ0;

= ( - τ0);

= [ - τ0 ] при r0 r R

w= [ (R2-r2) - τ0(R-r)]

Видно, что при τ0=0 → имеем распределение w=f(r) для ньтоновской жидкости.

w= [ (R2-r2)

Скорость стержня (при r = r0):

wст= [ (R2-r02) - τ0(R-r0)]

Расход бингамовской жидкости

υ= υст+ υкольц.сеч.

υ=πr02 wст+ =πr02 wст+2π [ (R2-r2) - τ0(R-r)]rdr=

= πr02 wст+ (R2-r2)rdr - (R-r)rdr

R2rdr - r3dr = R2 rdr - r3dr = R2( ) - ( )

Rrdr - r2dr= R( ) - ( )

После интегрирования и подстановки значений wст , τ0= r0, r0= и имеем:

υ= [1- ], откуда

wср= = [1- ( )4]

Коэффициент гидравлического сопротивления

+ = + , т.е. λ=f(Re= ), где C= .

Пленочное движение жидкостей

Рассмотрим гравитационное движение ньютоновской жидкости вдоль вертикальной стенки (движение только под действием силы тяжести)

Z- +ν( wz)= ;

1. движение под действием силы тяжести: Z=+g;

2. при Z=const→dp=0→p= const: =0;

3. движение стационарное: =0

4. движение однонаправленное, т.е.

Уравнение Навье-Стокса для оси Z

=Х + - ,тогда

g +ν =0;

g + =0;

=

Интегрируем: Вводим граничные условия:

= х+С1; при х=0; w=0 (явление прилипания)

w= х21x+C2 при х=δ; =0

при х=0 и w=0 имеем С2=0

при =0 - 1 =0 →С1=

Тогда распределение скорости по толщине пленки равно

w= х2+ х – параболическое распределение w по толщине пленки

при х=0→ w=0

при х=δ→ wmax= + =

Средняя скорость движения пленки жидкости

Принимают dυ=dfw, где df=1м∙dx, т.е.расход на длине 1м

Тогда wср= = = = dx

wср = [- ]= ;

wср=

Отношение =

Расход жидкости на длине 1м

υ 1= δ wср [ ] – линейная плотность орошения

υ 1=δ , откуда δ=

Необходимо знать зависимость δ=f(Re).

Re= = , где dэкв= = =4δср

Re= = , откуда

υ 1=

δ= =

δср= справедливо при Re<20 (ламинарный режим)

δср= 20<Re<1600 (волновой режим)

δср=0,185( ) Re0,5 Re>1600 (турбулентный режим)

Изложенный метод применим для неньютоновских жидкостей. Так для дилатантных и псевдопластичных жидкостей

wср=

δ=[ V1]

Перемещение жидкостей (поршневые и ц/б насосы)

  1. Напор и мощность насосов

- манометр

- вакууметр

- общая геометрическая высота

1 метод определения напора

2 метод

Напор – разность удельных энергий на линии нагнетения и всасывания

Для пром. условий h=0

Мощность насоса [кВт]

Поршневые насосы

S – ход поршня

F – площадь поршня

FS – объём жидкости на 1 ход

- для насоса однократного действия

Насос двойного действия

Насос тройного действия – 3 насоса одинарного действия

- 2 насоса двойного действия

- кратность действия

<1 за счёт плохой работы клап. короб.

Зависимость производительности от хода поршня

Закон хода поршня

- радиус кривошипношатунного механизма

С – скорость поршня

; ; ; C=0

; ; ; C=max

Производительность

i=1

Диаграмма подачи

(производительности)

поршневых насосов

i=2

Недостаток поршневого насоса - неравномерность подачи геометрическая высота всасыв. поршневого насоса. Движущей силой процесса всасыв. явл. , которая расходуется

  1. подъем жидкости н-а
  2. преодолеть гидр. сопр.

  3. инерционные потери

Гидравлический удар

- парциальное давление паров перекачив. жидкости при т-ре T

В цикле нагнетания вакуум

- конденсация паровой подушки резкое V ; t- справочник гидравлический удар. Определение инерционных потерь во всасыв.????

Сила инерции массы жидкости во всасыв. тр-де.

- закон Ньютона

a- ускорение

m

На преодоление этой силы инерции расход. часть напора насоса

  1. ускорение массы жидкости в трубопроводе

Используем ур-е неразрывности

площадь всасыв. ускорение поршня

тр-да

w

Сопоставим гидр. и инерционные потери во всасыв. тр-де

~ ~

~

10м

Центробежные насосы, за счет передачи ж-ии ц/б передаем создаем напор

Вывод основного ур-я ц/б насоса

W - относительная скорость

u- окружная скорость на выходе 2

c- абсолютная скорость на входе 1

Сумма кол-ва движения равна моменту равнодейств.

сил (для 1 элемент. частицы)

- плечо на выходе

Момент на выходе - сумм. момент

Домножим на w правую и левую части

- мощность насоса

- окружная скорость

Основное ур-е ц/б насоса

Для безудержного входа жидкости на рабочее колесо,

(конструктивно)

За счет некоторого неподобия скоростей на входе и выходе лопатки появл. объемный кпд.

Производительность ц/б насоса

- радиальное сост. абсолютной

Зависимость напора от производительности

чем больше

пренебрегаем

Действительная зависимость напора от производительности

Площадь под касательной- потери на кавитацию.

Кавитация в ц/б насосе.

при - жидкость закипела

при - конденсация, микровакуум

струйка Ж бьет в обл-ть вакуума

Рабочая точка ц/б насоса

Геометрическая высота всасывания

- движущая сила подъёма жидкости на высоту

Она расходуется:

- на подъём жидкости на высоту

- на преодоление гидравлического сопротивления всасыв. т/п ( )

- на преодоление инерционных потерь ( )

таким образом

= + + , откуда

- -

- определяется (лимитируется) условиями гидравлического удара

=? Сила инерции массы жидкости во всасывающем т/п

На преодоление этой силы тратится часть силы давления:

тогда

Представим это через :

Напишем уравнение неразрывности: или

, где

таким образом,

поэтому

В итоге

Сравним и

>>


Дать объяснение воздушному колпаку

Без воздушного колпака

возможно, что !

С воздушным колпаком

Рабочая точка поршневого насоса

Центробежные насосы

Вывод основного уравнения ц/б насоса

W – относительная скорость

u – окружная скорость

с – абсолютная скорость

Сумма количества движения равна моменту равнодействующих сил

,

Но ;

; и тогда

Основное уравнение ц/б насоса

Конструктивно делают “безударный” выход, т.е.

и

Производительность ц/б насоса

Зависимость напора H от производительности

Из :

, но из : или

тогда:

, но

Анализ уравнения

При :

Выбор профиля лопаток рабочего колеса

25% потенциальная энергия

75% кинетическая энергия

25% кинетическая энергия

75% потенциальная энергия

мало из-зи

Действительная зависимость

Явление кавитации

Поэтому ,

Где

Частные и общая характеристики ц/б насоса

- частные характеристики

Рабочая точка центробежного насоса

Гидравлика дисперсных систем

  1. Осаждение ( витание)одиночных частиц

Осаждение представляет собой процесс разделения фаз под действием силы тяжести, сил инерции или электростатических сил.

Рассмотрим силы, действующие на одиночную частицу в сплошной среде (плотность и вязкость ).

,d A

p

миделево

сечение G

Частица движется равномерно и прямолинейно под действием силы тяжести G

На частицу действует выталкивающая архимедова сила А и ее движению препятствует сила гидравлического сопротивления

Баланс сил: G=А +

G= ;

А= ;

= рF= р ;

hп= ; = ;

= + ; = -

= \ ;

= ;

Ar = Re

основное критериальное уравнение процессов осаждения.

Коэффициент сопротивления определяется в зависимости от режима

осаждения.

Lg

турбулентный

Ламинарный

Lg Re

2 500(800)

Ламинарный режим Re 2, тогда = 24/ Re

Турбулентный режим Re 500(800) = 0,44

Переходный режим =10,5/

Определение скорости падения частицы

Ламинарный режим

= 24/ Re ; Ar = Re ;

Ar =18 Re ; = 18 ;

= формула Стокса.

Формула применима для ламинарного режима в условиях

не стесненного осаждения (концентрация твердой фазы не превышает

5% объемных).

Осаждение в поле сил тяжести (отстаивание)

Отстойник периодического действия

к - концентрация твердой фазы

Составляем материальный баланс по твердой фазе:

,

причем

;

; ,

откуда

=

Но ,

где - скорость стесненного осаждения;

Производительность отстойника

Vотс( )=

Производительность отстойника зависит от F, но не от высоты

Отстойник полунепрерывного действия

Пути и Н частицы должны проходить за одно и то же время, поэтому

, откуда

-производительность отстойника; -объем отстойника

=

Vотс=b )

Некоторые конструкции отстойников непрерывного действия

колонный отстойник полочный отстойник