Если у вас возникли сложности с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой - мы готовы помочь.
Предоплата всего
Подписываем
37. Коэффициент гидравлического сопротивления. Методика его определения в различных режимах движения.
Потери энергии (уменьшение гидравлического напора) можно наблюдать в движущейся жидкости не только на сравнительно длинных участках, но и на коротких. В одних случаях потери напора распределяются (иногда равномерно) по длине трубопровода - это линейные потери; в других - они сосредоточены на очень коротких участках, длиной которых можно пренебречь, - на так называемых местных гидравлических сопротивлениях: вентили, всевозможные закругления, сужения, расширения и т.д., короче всюду, где поток претерпевает деформацию. Источником потерь во всех случаях является вязкость жидкости. Следует заметить, что потери напора и по длине и в местных гидравлических сопротивлениях существенным образом зависят от так называемого режима движения жидкости. Ламинарным называется слоистое течение без перемешивания частиц жидкости и без пульсации скорости и давления. При ламинарном течении жидкости в прямой трубе постоянного сечения все линии тока направлены параллельно оси трубы, при этом отсутствуют поперечные перемещения частиц жидкости. Турбулентным называется течение, сопровождающееся интенсивным перемешиванием жидкости с пульсациями скоростей и давлений. Наряду с основным продольным перемещением жидкости наблюдаются поперечные перемещения и вращательные движения отдельных объемов жидкости. Переход от ламинарного режима к турбулентному наблюдается при определенной скорости движения жидкости. Эта скорость называется критической υ кр. Значение этой скорости прямо пропорционально кинематической вязкости жидкости и обратно пропорционально диаметру трубы.
где ν - кинематическая вязкость;
d - внутренний диаметр трубы.
k - безразмерный коэффициент
Рассмотрим простейшие местные сопротивления при турбулентном режиме течения в трубе.
1. Внезапное расширение русла. Потеря напора (энергии) при внезапном расширении русла расходуется на вихреобразование, связанное с отрывом потока от стенок, т.е. на поддержание вращательного непрерывного движения жидких масс с постоянным их обновлением.
Постепенное расширение русла. Постепенно расширяющаяся труба называется диффузором (рис.4.10). Течение скорости в диффузоре сопровождается ее уменьшением и увеличением давления, а следовательно, преобразованием кинетической энергии жидкости в энергию давления. В диффузоре, так же как и при внезапном расширении русла, происходит отрыв основного потока от стенки и вихреобразования. Интенсивность этих явлений возрастает с увеличением угла расширения диффузора α.
Рис. 4.10. Постепенное расширение трубы
3. Внезапное сужение русла. В этом случае потеря напора обусловлена трением потока при входе в более узкую трубу и потерями на вихреобразование, которые образуются в кольцевом пространстве вокруг суженой части потока (рис.4.12).
|
Рис. 4.12. Внезапное сужение трубы |
4.13. Конфузор |
5. Внезапный поворот трубы (колено). Данный вид местного сопротивления (рис.4.15) вызывает значительные потери энергии, т.к. в нем происходят отрыв потока и вихреобразования, причем потери тем больше, чем больше угол δ. Потерю напора рассчитывают по формуле
где ζкол - коэффициент сопротивления колена круглого сечения, который определяется по графику в зависимости от угла колена δ (рис.4.16).
|
Рис. 4.15. |
Рис. 4.16. Зависимости ζкол от угла δ |
Рис. 4.17. Отвод |
6. Постепенный поворот трубы (закругленное колено или отвод). Плавность поворота значительно уменьшает интенсивность вихреобразования, а следовательно, и сопротивление отвода по сравнению с коленом. Это уменьшение тем больше, чем больше относительный радиус кривизны отвода R / d рис.4.17). Коэффициент сопротивления отвода ζотв зависит от отношения R / d, угла δ, а также формы поперечного сечения трубы.
38. Понятие гидростатического напора: Пьезометрический напор, полный гидростатический напор, пьезометрическая и геометрическая высота
Рассмотрим закрытый сосуд с жидкостью, к которому в точках А и В на произвольной глубине присоединены пьезометры I и II (рис. 2.7).
Давление на свободной поверхности в сосуде больше атмосферного . Трубка I сверху открыта и давление на свободной поверхности в ней равно атмосферному . Трубка II сверху запаяна, из нее удален воздух, т.е. давление в ней равно нулю .
Для определения вертикальных координат точек А и В проведем на произвольной высоте горизонтальную плоскость 0-0. Эта плоскость называется плоскостью сравнения. Вертикальное расстояние от плоскости сравнения до рассматриваемой точки называется геометрической высотой точки по отношению к плоскости сравнения и обозначается буквой . За плоскость сравнения может быть принят уровень земли, пола.
Так как давление в сосуде на свободной поверхности жидкости больше атмосферного, то в пьезометрических трубках I и II жидкость поднимется на большую высоту, чем уровень жидкости в сосуде. Обозначим высоту поднятия жидкости в открытом пьезометре через
– пьезометрическая высота, а высоту поднятия жидкости в закрытом пьезометре через – приведенная высота.
Пьезометрическая высота – мера манометрического давления в точке А. Приведенная высота – мера абсолютного давления в точке В. Разность высот , равна высоте столба жидкости, соответствующей атмосферному давлению т.е. 10 м.в.ст.
Сумма геометрической высоты и пьезометрической для любой точки жидкости будет величиной постоянной и называется пьезометрическим напором:
. (2.42)
это сумма приведенной высоты и геометрической высоты положения, называемая гидростатическим напором .
Тогда:
В уравнении для любой точки жидкости, а не зависит от положения точки.
Значит:
(2.47)
Удельная потенциальная энергия, т.е. энергия приходящаяся на единицу веса частицы будет соответственно равна:
39. Гидравлическая характеристика трубопровода при последовательном соединении.
|
Последовательное соединение нескольких простых трубопроводов различного диаметра дает простой трубопровод переменного сечения. При подаче жидкости по такому трубопроводу расход во всех последовательно соединенных трубах один и тот же, а полная потеря напора между начальным и конечным сечениями равна сумме потерь напора во всех последовательно соединенных трубах, т.е. для трубопровода, изображенного на рис.5.2.1, получим следующие уравнения:
Эти уравнения определяют правило построения характеристик последовательного соединения труб. При заданных характеристиках трубопроводов 1, 2 и 3, для получения характеристики всего последовательного соединения М - К следует сложить потери напора при одинаковых расходах, т.е. сложить ординаты всех трех кривых при одних и тех же значениях, выбранных на оси абсцисс. Так как в рассматриваемом более общем случае скорости в начальном (М) и конечном (К) сечениях различны, то выражение потребного напора для всего трубопровода должно содержать разности скоростных напоров в крайних сечениях: |
40. Общие понятие и классификация неньютоновских жидкостей. кривые течения неньютоновских жидкостей.
Многокомпонентные жидкости как гомогенные, так и гетерогенные, в большей степени, могут содержать в своём составе компоненты, значительно изменяющие вязкость жидкости, и даже кардинально меняющие саму физическую основу и природу внутреннего трения. В таких жидкостях гипотеза вязкостного трения Ньютона неприменима. Соответственно такие жидкости принято называть неньютоновскими жидкостями. Неньютоновские жидкости из анализа закона Ньютона следует, что вязкость жидкости не зависит от градиента скорости и постоянна при данной температуре. Такие жидкости принято называть ньютоновскими. К ним относятся все газы и чистые жидкости (и их смеси) с низкой молекулярной массой.
К ним относятся растворы полимеров, коллоидные растворы, суспензии и т. п. Структура неньютоновских жидкостей определяется характером взаимодействия их частиц. При отклонении этих жидкостей (систем) от равновесия (покоя) структура таких жидкостей нарушается, а их свойства зависят от прилагаемых усилий и скорости деформации. Законы деформации и движения неньютоновских жидкостей составляют предмет и задачи науки, которую называют реологией. Обычно реологические свойства неньютоновских жидкостей определяют экспериментально.
Кривые течения некоторых неньютоновских жидкостей представлены на рисунке 1.1.
1-вязкопластичная ; 2- псевдопластичная ; 3- дилатантная ; 4,5 – нелинейно вязкопластичная
Классификация и реологические свойства неньютоновских жидкостей. Для получения расчетных уравнений, описывающих течение неньютоновских жидкостей, следует установить связь между напряжениями сдвига и скоростью деформации. Касательные напряжения τТ, как известно, являются функцией градиента скорости:
Для неньютоновских жидкостей вводится понятие «кажущейся» вязкости. Под ней подразумевают вязкость неньютоновской жидкости, у которой скорость деформации под действием заданного напряжения сдвига равна скорости деформации рассматриваемой неньютоновской жидкости. Связь кажущейся вязкости μэ с реологическими свойствами неньютоновской жидкости может быть представлена выражением:
Неньютоновские жидкости подразделяют на три основные группы.
К первой группе относятся вязкие (или стационарные) неньютоновские жидкости, для которых функция не зависит от времени. По виду кривых течения различают следующие жидкости этой группы: бингамовские, псевдопластичные и дилатантные.
Бингамовские жидкости начинают течь только после приложения напряжения τ0 (τ0 - начальное напряжение сдвига, или предел текучести), превышающего предел текучести. При этом структура пластичной жидкости разрушается, и она ведет себя как ньютоновская, т.е. зависимость τт от du/dy для них также прямо пропорциональна. При снижении напряжения (τт < τ0) структура бингамовских жидкостей восстанавливается. К бингамовским жидкостям относятся густые суспензии (различные пасты и шламы, масляные краски и т.п.).μ- пластическая вязкость.
Псевдопластичные жидкости получили наибольшее распространение в рассматриваемой группе неньютоновских жидкостей. К ним относятся растворы полимеров, целлюлозы и суспензии с асимметричной структурой частиц, и т.п. Псевдопластичные жидкости, как и Ньютоновские, начинают течь при самых малых значениях τт . Для этих жидкостей зависимость напряжения сдвига от скорости деформации может быть представлена степенной функцией
где k и n - константы, причем значение k зависит от консистенции жидкости и увеличивается с увеличением вязкости; n отражает меру неньютоновского поведения жидкости
Для псевдопластичных жидкостей n < 1 (для ньютоновских n = 1 и соответственно k = n), т. е. кажущаяся вязкость уменьшается с увеличением скорости деформации. Кривая течения постепенно переходит в прямую при бесконечно большом градиенте du/dy.
Дилатантные жидкости содержат жидкую фазу в количестве, позволяющем заполнить в состоянии покоя или при очень медленном течении пустоты между частицами твердой фазы. При увеличении скорости частицы твердой фазы перемещаются друг относительно друга быстрее, силы трения между частицами возрастают, при этом увеличивается кажущаяся вязкость. Для дилатантных жидкостей показатель степени в уравнении (1.4) k > 1. К дилатантным жидкостям относятся суспензии крахмала, силиката калия, различные клеи и др.
Ко второй группе относят неньютоновские жидкости, характеристики которых зависят от времени. Для таких жидкостей величина τт зависит не только от градиента деформации, но и от ее продолжительности, что усложняет анализ процесса течения этих жидкостей, поскольку для определения вязкости нужно знать предысторию жидкости. Эти жидкости подразделяют на тиксотропные (кажущаяся вязкость которых во времени уменьшается) и реопектические (кажущаяся вязкость которых во времени увеличивается).
1- реостабильные жидкости ; 3- тиксотропные ; 2- реопектические .
К тиксотропным жидкостям относятся многие красители, некоторые пищевые продукты (простокваша, кефир и т. п.), вязкость которых снижается при взбалтывании. К реопектическим жидкостям можно отнести суспензии бентонитовых глин и некоторые коллоидные растворы.
К третьей группе относятся вязкоупругие, или максвелдонские жидкости. Кажущаяся вязкость этих жидкостей уменьшается под воздействием напряжений, после снятия которых жидкости частично восстанавливают свою форму. К этому типу жидкостей относятся некоторые смолы и пасты тестообразной консистенции.
41. Вязкопластичные жидкости и их свойства. Начальное напряжение сдвига. Уравнение кривой течения.
Изучение процесса движения неньютоновских жидкостей является весьма трудоёмкой задачей как с точки зрения полноты понимания всех физико-химических процессов сопровождающих такое движение сложного физического тела, так и с точки зрения математического описания этого явления. Как известно, все неньютоновские жидкости отличаются от классической ньютоновской жидкости видом зависимости градиента давления от величины касательного напряжения. Графики таких зависимостейносят название кривых течения неньютоновских жидкостей или реограмм. На рисунке представлены реограммы различных типов неньютоновских жидкостей (1 - дилатантная жидкость, 3 - псевдопластическая жидкость, 4 - вязкопластическая жидкость) по сравнению с аналогичной характеристикой классической ньютоновской жидкостью (линейная зависимость - 2).
Первые два вида неньютоновских жидкостей: дилатантные и псевдопластические описываются одинаковыми уравнениями реограмм с различными характеристиками коэффициентов меры консистенции жидкости и п - меры степени отличия поведенине. ньютоновской жидкости от классической ньютоновской жидкости k -
Для характеристики названных выше типов неньютоновских жидкостей часто используется ещё одна дополнительная мера - эффективная кажущаяся вязкость жидкости. Суть этой меры состоит в том, что для любой конкретной величины касательного напряжения в неньютоновской жидкости можно поставить в соответствии величину вязкости ньютоновской жидкости с одинаковой величиной касательных напряжений, т.е. реограмма реальной неньютоновской жидкости заменяется линейной зависимостью:
Вязкопластические (бингамовские) жидкости обладают как свойствами твёрдого тела (при напряжениях меньших величины статического напряжения сдвига ), так и
свойствами жидкости (при касательных напряжениях в жидкости ). Когда вязкопластическая жидкость проявляет свойства твёрдого пластичного тела, то роль кристаллической решётки в вязкопластической жидкости осуществляет образующаяся в ней жёсткая
пространственная структура, приводящая к полной неподвижности жидкости. Поэтому реограмму вязкопластических жидкостей (в) принято рассматривать как некоторую сумму реограмм твёрдого пластичного тела (а) и классической ньютоновской жидкости (б). Уравнение такой реограммы можно представить в следующем виде: Вид реограмм неньютоновских жидкостей, в том числе и вязкопластичных жидкостей, осложняется проявлением тиксотропных свойств таких жидкостей. Принято считать, что величина статического напряжения сдвига вязкопластичных жидкостей зависит от продолжитнльности нахождения такой жидкости в состоянии покоя, другими словами, прочность образующейся структурной решётки в вязкопластичной жидкости увеличивается со временем. Повторное приведение жидкости в состояние движения происходит при значительно более низком статическом напряжении сдвига. Поэтому принято различать величину начального статического напряжения сдвига (после длительной остановки жидкости) и динамическую величину (после кратковременных перерывов в работе). Тиксо-тропные свойства жидкостей обратимы, т.е. при восстановлении существовавшего ранее режима течения жидкости их действие прекращается.
Свойства вязкопластичной жидкости ярко проявляются в несоблюдении закона сообщающихся сосудов. Известно, что уровень воды или любой ньютоновской жидкости в сообщающихся сосудах любых диаметров одинаков. [1]
В вязкопластичных жидкостях в результате наличия предельного напряжения сдвига предельный диаметр нетонущего шара составляет do - Шары, с диаметром больше, чем d 0, в вязкопластичной жидкости будут тонуть, а меньше, чем do, будут находиться во взвешенном состоянии. При бурении нефтяных и газовых скважин определение величины d 0 имеет большое значение. [2]
В нетиксотропных вязкопластичных жидкостях ( см. рис. 34) после восстановления циркуляции касательные напряжения повышаются с ростом скорости движения, что ведет к увеличению сил сопротивления и расширению потока. [3]
В нетиксотропных вязкопластичных жидкостях ( см. рис. 32) после восстановления циркуляции касательные напряжения увеличиваются с ростом скорости движения, что ведет к увеличению сил сопротивления и расширению потока.
42. Движение взкопластичных жидкостей по трубопроводу:структурный и турбулентный режимы течения.
При течении вязкопластичной жидкости в коротких трубопроводах, как и при течении вязких жидкостей, оказывается возможным получить критерии подобия, однозначно характеризующие потоки.
При течении вязкопластичных жидкостей характер возникновения и развития течения несколько иной. В начальный момент времени жидкость остается неподвижной, пока касательные напряжения на стенках трубы не превысят то. После достижения перепада давления, достаточного для преодоления сил пластичности, жидкость начинает двигаться, сохраняя недеформированное ядро радиусом го, на границах которого касательные напряжения равны то, а в пристенной зоне наблюдается сдвиговое течение в ламинарном режиме. Такой характер потока вязкопластич-ной жидкости носит название структурного течения. По достижении определенного перепада давления ядро потока исчезает, и некоторое время поток движется ламинарно, а затем начинается переход в турбулентное течение.
При течении вязкопластичных жидкостей коэффициент сопротивления при структурном режиме течения зависит от двух безразмерных критериев и переход к турбулентному течению уже не однозначно определяется критерием Рейнольдса.
При фильтрации неньютоновских вязкопластичных жидкостей, а также при фильтрации с очень малыми скоростями имеет место закон фильтрации (1.14), который отличается от закона Дарси наличием предельного градиента у, по достижении которого начинается движение.
Глинистый раствор как вязкопластичная жидкость, имеющая низкое напряжение сдвига, работоспособен только при небольших перепадах давления. Кроме того, после ГРП он может проникать в пласты и ухудшать их фильтрационные свойства. Использование специального устройства на НКТ при наличии наполнителя в виде твердых частиц ( около 50 %) может привести к прихвату труб в узком зазоре.
Градиент давления сдвига вязкопластичной жидкости в пористой среде зависит от ее проницаемости.
При использовании модели вязкопластичной жидкости зона фильтрации разбивается на область движения, где связь между градиентом давления и скоростью фильтрации линейная, и застойные зоны, в которых жидкость покоится. Подвижная граница застойной зоны подлежит определению.
квивалентные (приведенные) длины при турбулентном режиме течения вязкой жидкости практически не зависят от числа Рейнольдса.
Коэффициент расхода \i зависит от размера трубопровода, числа и характера местных сопротивлений, а также от режима течения жидкости.
Из полученных выражений видно, что по мере изменения уровня жидкости в резервуаре средняя скорость ее течения в трубопроводе также изменяется.
Коэффициент расхода при изменении суммарного активного напора является величиной переменной, причем диапазон его изменения особенно сильно увеличивается при ламинарном режиме течения.
В основу гидравлического расчета самотечных трубопроводов, работающих при ламинарном режиме течения, целесообразно положить уравнение Пуазейля, причем приведенную длину трубопровода следует выразить через параметр Рей-нольдса.
Время истечения жидкости при ламинарном режиме определится, если последнее уравнение проинтегрировать по времени в пределах от 0 до tn и по уровню взлива от критической высоты zlKp, соответствующей переходу течения от турбулентного режима к ламинарному, до D1 (считая от верхней образующей цистерны):
высоты, при которой произойдет смена турбулентного режима течения на ламинарный) /т = г° •?
Критическая высота слива жидкости в резервуаре, при которой происходит смена режимов течения Ог — г1кр, находится после определения zlhp из уравнения гкр = b — azlKp
45. понятие кавитации, причины возникновения. Мероприятия по предотвращению кавитации, борьба с эрозией метала.
Кавитация - это местное нарушение сплошности течения с образованием паровых и газовых пузырей (каверн), обусловленное местным падением давления в потоке. Кавитация в обычных случаях является нежелательным явлением, и ее не следует допускать в трубопроводах и других элементах гидросистем. Кавитация возникает в кранах, вентилях, задвижках, жиклерах и т.д.
Среди причин возникновения кавитации называют:
- местное уменьшение уровня давления по причине сужения потока из-за увеличения скоростей,
- увеличение t жидкости (уменьшение давления пара),
- частицы жидкости при движении изменяют свои траектории (также возможен их отрыв).
Кроме того, возникновение данного явления провоцируют пузырьки пара.
Для предотвращения кавитации необходимо: насос установить так, чтобы вакуумметрическая высота всасывания не превышала допускаемой величины, а также обеспечить герметичность всасывающего трубопровода. В насосах и турбинах выбирают соответствующее расположение рабочих колес относительно свободной поверхности жидкости. Насос установить так, чтобы вакуумметрическая высота всасывания не превышала допускаемой высоты. Число оборотов конденсатных насосов не должно превышать 1450— 1800 обIмин. Необходимо предусмотреть, величину подпора на всасывании с учетом возможного уменьшения нагрузки.
По механизму защитного действия применяемые мероприятия сводятся к трем группам:
1) повышение анодного контроля коррозионной системы — легирование сплавов пассивирующими компонентами, введение в раствор анодных ингибиторов коррозии, применение анодной электрохимической защиты;
2) повышение катодного контроля — уменьшение содержания катодных компонентов в металле, снижение концентрации деполяризаторов катодного процесса, введение в раствор катодных ингибиторов, применение катодной электрохимической защиты;
3) повышение электрического сопротивления системы — коррозионной среды, применяемых защитных покрытий или образующихся на поверхности продуктов коррозии.
Наибольший технический и экономический эффект в борьбе с коррозией достигается при изоляции металлов с помощью различных защитных покрытий — металлических, неорганических неметаллических, органических. Независимо от вида материала покрытия должны иметь хорошую адгезию, быть беспористыми и стойкими в среде, в которой эксплуатируется изделие.
50. Теория Н.Е. Жуковского развитие гидроудара. Определение ударного давления и скорости распространения ударной волны.