Какие бывают потери давления

Гидравлические потери

Гидравлические потери или гидравлическое сопротивление — безвозвратные потери удельной энергии (переход её в теплоту) на участках гидравлических систем (систем гидропривода, трубопроводах, другом гидрооборудовании), обусловленные наличием вязкого трения[1][2]. Хотя потеря полной энергии — существенно положительная величина, разность полных энергий на концах участка течения может быть и отрицательной (например, при эжекционном эффекте).

Гидравлические потери принято разделять на два вида:

• потери на трение по длине — возникают при равномерном течении, в чистом виде — в прямых трубах постоянного сечения, они пропорциональны длине трубы;
• местные гидравлические потери — обусловлены т. н. местными гидравлическими сопротивлениями — изменениями формы и размера канала, деформирующими поток. Примером местных потерь могут служить: внезапное расширение трубы, внезапное сужение трубы, поворот, клапан и т. п.

Гидравлические потери выражают либо в потерях напора в линейных единицах столба среды, либо в единицах давления : , где — плотность среды, g — ускорение свободного падения.

Коэффициенты потерь

Во многих случаях приближённо можно считать, что потери энергии при протекании жидкости[3] через элемент гидравлической системы пропорциональны квадрату скорости жидкости[2]. По этой причине удобно бывает характеризовать сопротивление безразмерной величиной ζ[4], которая называется коэффициент потерь или коэффициент местного сопротивления и такова, что

То есть в предположении, что скорость w по всему сечению потока одинакова, ζ=Δp/eторм, где eторм = ρw²/2 — энергия торможения единицы объёма потока относительно канала. Реально в потоке скорость жидкости не равномерна, в справочной литературе в данных формулах принимается среднерасходная скорость w=Q/F, где Q — объёмный расход, F — площадь сечения, для которого рассчитывается скорость[1]. Таким образом, средняя энергия торможения потока обычно несколько больше ρw²/2, см. Среднее квадратическое.

Для линейных потерь обычно пользуются коэффициентом потерь на трение по длине (также коэффициент Дарси) λ, фигурирующего в формуле Дарси - Вейсбаха[2]

,

где L — длина элемента, d — характерный размер сечения (для круглых труб это диаметр). Иначе в единицах давления

;

таким образом, для линейного элемента относительной длины L/d коэффициент сопротивления трения ζтр=λL/d.

Влияние режима течения в трубах на гидравлические потери

Поскольку при турбулентном режиме течения происходит расход энергии потока на преодоление вязкости при турбулентных колебаниях, гидравлические потери при ламинарном режиме течения жидкости значительно меньше, чем при турбулентном. Так, например, если бы в системах водоснабжения и отопления при существующих скоростях движения жидкостей возможно было бы поддерживать ламинарный режим течения, то напор насосов можно было бы уменьшить в 5-10 раз[источник не указан 2667 дней]. Изменение режима течения с ламинарного на турбулентный вызывает скачкообразное увеличение сопротивления (при некоторых скоростях, т.е. в некотором диапазоне чисел Рейнольдса, ламинарное течение неустойчиво, но в определённых условиях может существовать). В то же время коэффициент гидравлического сопротивления при ламинарном режиме обычно получается больше, чем при турбулентном, поскольку для ламинарных режимов характерны более низкие скорости. При ламинарном режиме сопротивление примерно линейно зависит от скорости (соответственно, коэффициент примерно линейно падает, например, в круглых трубах ). При турбулентном режиме в гидравлически гладких трубах (при небольших шероховатостях и небольших Re) зависимость имеет иной характер (для круглых труб ) и во всех практически реализуемых случаях лежит выше зависимости для ламинарного режима; при бо́льших числах Рейнольдса под влиянием шероховатости график λ претерпевает сложный изгиб, и начиная с некоторого критического значения при Re>Reкр (область автомодельности) λ зависит только от шероховатости.

Значение в технике

На преодоление гидравлических потерь в различных технических системах затрачивается работа таких устройств, как насосы, воздуходувки.

Для уменьшения гидравлических потерь рекомендуется в конструкциях гидрооборудования избегать применения деталей, способствующих резкому изменению направления потока — например, заменять внезапное расширение трубы постепенным расширением (диффузор), придавать телам, движущимся в жидкостях, обтекаемую форму и др. Даже в абсолютно гладких трубах имеются гидравлические потери[2]; при ламинарном режиме шероховатость мало на них влияет, однако при обычных в технике турбулентных режимах её увеличение, как правило, вызывает рост гидродинамического сопротивления.

Иногда, напротив, требуется ввести гидравлическое сопротивление в поток. Для этого применяются дроссельные шайбы, редукционные установки, регулирующие клапаны. По измерению давления на некотором элементе, график коэффициента гидравлического сопротивления которого известен, можно узнать скорость потока в некоторых распространённых типах расходомеров.

См. также

• Формула Борда-Карно
• Формула Прони
• Формула Шези

Ссылки

• Демонстрация явления гидравлических потерь в эксперименте (видео)
• Трение при движении твёрдого тела в жидкости (видеоролик с демонстрацией опыта)
• Документальный фильм »Потери напора при движении жидкости»

Примечания

1. ↑ 1 2 Идельчик И. Е. Справочник по гидравлическим сопротивлениям/ Под ред. М. О. Штейнберга. — 3-е изд., перераб. и доп.- М.: Машиностроение, 1992. — C. 10
2. ↑ 1 2 3 4 Гидравлика, гидромашины и гидроприводы: Учебник для машиностроительных вузов / Т. М. Башта, С. С. Руднев, Б. Б. Некрасов и др.. — 2-е изд., перераб.. — М.: Машиностроение, 1982. — С. 48-50, 84, 88.
3. ↑ В гидродинамике жидкостью называется любая текучая среда, как капельная жидкость, так и газ.
4. ↑ Также применяется обозначение ξ; буквы часто путают, иногда применяют для различения того, во входном или выходном сечении элемента измерялась скорость в формуле (для расширяющихся или сужающихся элементов).

Источник

Что такое потери напора?

Третья статья в цикле статей по теоретическим основам гидравлики посвящена определению потерь напора.

Как рассказывалось ранее, при своем движении жидкость испытывает сопротивление, что выражается затратами ее энергии, т.е. затратами ее напора, что называют потерями напора.

Потери напора принципиально делятся на два типа:

Потери напора: местные (обведены кружком) и по длине

1. Местные (на рисунке обведены красным)
2. Потери по длине (на рисунке подчеркнуты зеленым)

Местные потери конкретно на данном рисунке: поворот, задвижка (условное обозначение по ГОСТ — «бантик»), еще один поворот и внезапное (т.е. не плавное) расширение.

Потери по длине здесь — это потери на прямолинейных участках l1, l2, l3, l4.

Местное сопротивление — внезапное сужение [1]

1. Местные потери напора (говорят также потери напора на местные сопротивления) — это потери напора, которые происходят в основном из-за вихреобразования в конкретных местах трубопровода (потому и «местные»). Любое препятствие на пути движения потока жидкости является местным сопротивление. Чем сильнее деформируется поток, тем больше будет потеря напора. Например, на рисунке ниже показано внезапное сужение трубопровода. Хорошо видны 4 вихревые зоны до и после сужения.

(говорят также потери напора на местные сопротивления) — это потери напора, которые происходят в основном из-за вихреобразования в конкретных местах трубопровода (потому и «местные»). Любое препятствие на пути движения потока жидкости является местным сопротивление. Чем сильнее деформируется поток, тем больше будет потеря напора. Например, на рисунке ниже показано внезапное сужение трубопровода. Хорошо видны 4 вихревые зоны до и после сужения.

Местную потерю напора можно определить, зная коэффициент сопротивления для данного сопротивления (обозначается буквой дзэта ζ, не имеет размерности) и среднюю скорость потока в сопротивлении V.

hм = ζ · V2 / 2g

(g — ускорение свободного падения, g = 9,81 м/с2 , для быстрых подсчетов можно округлить до 10 м/с2)

Пример. Определить потерю напора в вентиле, установленном на трубе внутренним диаметром d = 51 мм, при расходе Q = 2 л/с.

Сначала по уравнению неразрывности (ссылка на статью 2) определим среднюю скорость движения жидкости.

V = Q / ω = 4 · Q / 3,14 · d² = 4 · 0,002 / 3,14 · 0,051² = 0,98 м/с

Теперь необходим коэффициент сопротивления вентиля. Такие данные берут из гидравлических справочников или у производителей конкретной арматуры. По справочным данным находим, что коэффициент местного сопротивления вентиля равен 6.

Тогда потеря напора на вентиле: hвент = ζ · V²/ 2 · g = 6 · 0,98² / 2 · 10 = 0,29 м.

Иллюстрация местных потерь напора

При расчете трубопроводных систем (внутренний водопровод здания, наружная водопроводная сеть и т.п.) обычно высчитывают не все сопротивления (так как их может быть очень много), а только самые существенные, создающие наибольшие сопротивления: например, счетчик воды. Потеря напора на остальных местных сопротивлениях учитывается коэффициентом, на который умножается значение потерь напора по длине (1,05 — 1,15 для наружных сетей, 1,1 — 1,3 для внутренних сетей здания).

2. Потери напора по длине — потери напора на участках трубопровода. Возникают из-за работы сил трения. (сила трения возникает между слоями движущейся жидкости). Величина потерь напора, также, как и местных потерь, напрямую зависит от скорости движения жидкости. При достаточно высокой скорости усиливается влияние шероховатости стенок трубы.

Потерю напора по длине можно увидеть по разнице в уровнях воды между двумя пьезометрами

Точное определение потерь напора по длине является довольно сложной задачей, для этого необходимо устанавливать режим движения жидкости (бывает ламинарный и турбулентный), подбирать расчетную формулу для коэффициента гидравлического трения в зависимости от числа Рейнольдса Re, характеризующего степень турбулизации потока. Это изучается студентами в рамках курса механики жидкости.

При этом для быстрого расчета потерь напора были составлены специальные таблицы для инженеров, позволяющие, зная материал трубы и ее диаметр, а также расход воды, быстро определить так называемые удельные потери напора (сколько напора теряется на 1 м трубы). Эта величина называется 1000i, значение 1000i = 254 означает, что поток, проходя 1 м такой трубы теряет 254 мм (миллиметра) напора, т.е. 0,254 метра. Это значение также называется «гидравлический уклон», и это нельзя путать с геодезическим, т.е. просто с физическим уклоном (наклоном) самой трубы. Для расчета стальных труб используют таблицы Шевелева

Фрагмент этих таблиц представлен на рисунке ниже.

как пользоваться таблицами Шевелева

Например, из данного фрагмента видно, что если вода с расходом 1,50 л/с пойдет по трубе диаметром 50 мм, то скорость в этой трубе будет 0,47 м/с, а 1000i составит 9,69 мм на метр (на каждом метре трубы теряется 9,69 миллиметров напора).

Чтобы определить, сколько метров напора будет потеряно на всем участке — нужно перемножить 1000i с длиной участка. Чтобы ответ получился в метрах, 1000i делят на 1000.

Итак, потери напора по длине: hl= 1000i·l / 1000 = i·l

Если наш участок трубы имеет длину, скажем, 25 метров, то потеря напора на нем:

hl= 9,69*25/1000 = 0,24 м.

Учтем и местные сопротивления, тогда полная потеря напора на данном участке:

­hl = 0,24*1,3 = 0,31 м.

Таблицы были переведены в электронный вид в виде программы, созданной студентом Любчуком Ю.Е. Загрузить программу можно с нашего сайта. С помощью этой программы, можно легко посчитать потери напора в трубах из различных материалов. В следующей статье подробно опишем, как пользоваться данной программой на задаче из жизни.

Источник

Классификация потерь напора

Содержание:

• Классификация потерь напора.

Классификация потерь напора

Классификация потерь напора. Потеря определенной энергии » (давления)», затрачиваемой на преодоление сопротивления (гидравлического сопротивления) движению вязкой жидкости, складывается из 2 видов потерь. 1) потери давления на преодоление гидравлического сопротивления по длине, которое пропорционально длине участка канала или трубы, в котором движется жидкость-потери по длине ЛПНП.; 2) 1 или другая местная структура трубы, канала (вход, выход, расширение, сужение, вращение, штуцеры трубы, штуцеры, etc.) потери давления для преодоления гидравлического сопротивления в пределах короткого участка вблизи устройства-локальные потери давления Нм.

Поэтому при расчете потерь давления обычно используются эмпирические зависимости. Людмила Фирмаль

• Предполагается, что общий перепад давления в системе труб или каналов равен сумме перепада давления по длине каждого отдельного участка и всего локального перепада давления. ^ ТР = 2 Юм (7.1） 129. 9-788 Эти потери энергии (в данном случае удельные) обусловлены переходом механической энергии потока в тепловую. Этот процесс необратим. Наличие гидравлического сопротивления при движении вязких жидкостей связано с работой сил трения внутри жидкости. Только силой трения механическая энергия преобразуется в тепло. Механизм действия силы сопротивления очень сложен. Аналитически еще не удалось получить универсальных соотношений для расчетов. Потеря давления по длине зависит от типа движения.

Проводится классификация движения по свойствам поля скоростей (в этом случае оно ограничивается только стационарным движением). 1) постоянное равномерное движение по средней скорости и эпюре скоростей: ламинарное и турбулентное; 2) неоднородное движение за счет постоянной средней скорости по длине и изменяющейся диаграммы скоростей(стабилизирующий участок диаграммы скоростей): ламинарное и турбулентное течение. 3) неоднородные и плавно меняющиеся движения(см. Главу 3): ламинарное и турбулентное течение. 4) неоднородное движение с изменением средней скорости и скоростных участков на коротких участках, обычно называемое локальным сопротивлением: ламинарным и турбулентным.

• Разница в Кинематической структуре каждого из перечисленных видов движения определяет разницу в расчетной зависимости потерь давления вдоль length. In турбулентное движение в описанном выше случае обычно учитывается показатель средней скорости. 1.Равномерное движение. Различие свойств поля скоростей при ламинарном и турбулентном движении влияет на зависимость потерь давления по длине при этих режимах движения. Исследование потерь давления по длине при равномерном движении по прямой показывает, что зависимость гусиного пера от логарифмической координаты на графике от средней скорости V проявляется в виде отрезка прямой (рис. 7.1).

В этом случае общая форма зависимости может быть выражена следующим образом: b рассмотрим влияние размера трубы, шероховатости стенки, типа жидкости. Т-показатель степени. На рис. 7.1 сегмент AK, соответствующий движению ламинарного потока, образует ось абсцисс gf = 1 ^ 01 = 1 и угол 01 = 45°.Точка K на графике-это скорость Rn. it соответствует kr. In ламинарный режим течения движения, потери определенной энергии по длине пропорциональны начальной степени скорости. В турбулентном режиме движения отрезок NW на графике образует горизонтальную ось и угол 02. 02 = 1.75 =-2.0 пунктов N запас соответствует скорости движения tsvlf.

На начальном участке сразу после входа в трубу или канал локальный поток изменяется от начального (входного) распределения всего живого участка до распределения, соответствующего равномерному движению. Людмила Фирмаль

• В результате в турбулентной области движения потери удельной энергии пропорциональны средней скорости в диапазоне от 1,75 до 2,0. Tsn. KR при значении средней скорости V, заключенной в y Цвлф, кцл = = /(г)определяется конкретными условиями, при которых происходит движение. 2.В напорном трубопроводе в начальном интервале наблюдается неравномерное движение с постоянной средней скоростью по длине(но изменение распределения по длине продольной составляющей локальной скорости в живом интервале, то есть изменение диаграммы скорости по длине). В турбулентном режиме движения учитываются продольная средняя скорость и распределение по живой части (участку) пульсирующей добавки account.

Участок локального усреднения обусловлен входом плавных кривых из достаточно большого резервуара в трубу 9. 131. Сечение 1-1 будет очень близко к равномерному (коэффициент Кориолиса a » 1).Скорость непосредственно на стене равна нулю. За счет эффекта подавления вязкой силы осуществляется преобразование скоростной диаграммы (рис.7.2). В начале трубы вблизи стенки пограничный слой, симметричный относительно оси, образует слой, скорость которого увеличивается с удалением от стенки. По длине первого участка центральной части Поперечное сечение поддерживается на почти постоянной скорости.

Смотрите также:

Курсовая работа по гидравлике

Возможно эти страницы вам будут полезны:

1. Уравнения Рейнольдса.
2. Различные теории турбулентности.
3. Зависимость потерь напора от параметров потока.
4. Общая формула коэффициента сопротивлении (потерь напора) по длине при равномерном движении.

Источник