Kā mēs visi zinām, caurules ir cietas vielas, un ūdens ir šķidrums, kas var viegli plūst. Ja ūdens caurules iekšpusē plūst, daļa enerģijas ir jāpārvērš siltumenerģijā un "jāpatērē", tas ir, tiek zaudēta ūdens spiediena daļa (vai saukta par galvu). Tas ir objektīvu lietu atspoguļojums un ir neizbēgams ūdens plūsmas kustības likums. Parasti mēs šo enerģijas pārveidošanas fenomenu saucam par "enerģijas zudumu" (vai "hidraulisko zudumu", "galvas zudumu"). To aprēķina metros.
Sūknis
Cik nozīmīga ir cauruļvada pretestības ietekme uz galvu?
Daži lietotāji ir izmērījuši, ka, lai gan vertikālais attālums no rezervuāra vai ūdenstorņa līdz ūdens avota virsmai joprojām ir nedaudz mazāks par sūkņa galvu, ūdens tilpums joprojām ir mazs vai arī ūdeni nevar sūknēt. Parasti iemesls ir tas, ka cauruļvads ir pārāk garš un ūdensvadā ir daudz līkumu, kā rezultātā ūdens plūsmai cauruļvadā tiek zaudēta pārmērīga pretestība. Parasti 90 grādu līkumam ir lielāka pretestība nekā 120 grādu līkumam. Katra 90 grādu līkuma pretestības zudums ir aptuveni 0,5–1 metrs, un katriem 20 metriem cauruļvada pretestība var izraisīt aptuveni 1 metra galvas zudumu. Turklāt daži lietotāji nejauši maina arī sūkņa ieplūdes un izplūdes cauruļu diametrus, kas arī zināmā mērā ietekmē galvu. Tātad, cik lielā mērā cauruļvada pretestība ietekmē galvu? Tālāk apskatīsim tabulu zemāk.
Vai jūs saprotat ūdens zuduma iemeslus, ko izraisa ūdens plūsma caurulē? 1. jautājums: tas ir saistīts ar nelīdzeno cauruļu sienu traucējošo ietekmi.
2. Tā ir relatīvā kustība starp dažādiem ūdens plūsmas slāņiem. 3. Tas ir virpulis, ko veido lokālas straujas ūdens plūsmas izmaiņas cauruļu veidgabalu iekšpusē. Cauruļvada (tīkla) hidrauliskais zudums sastāv no divām daļām: zuduma pa cauruļvadu un vietējiem zaudējumiem. Inženierzinātnēs mums ir jāaprēķina un jāzina šo zudumu apjoms, lai pareizi izvēlētos sūkni un noteiktu nepieciešamo sūkņa augstumu.
Cauruļvada zudumi visā plūsmas ceļā ir berzes pretestība, kas rodas visā plūsmas procesā. Tas ir saistīts ar tādiem faktoriem kā caurules sienu raupjums, caurules garums, caurules diametrs un plūsmas ātrums. Pamatojoties uz hidraulikas principiem, var noteikt tās attiecības.
Zaudējumi pa cauruļvadu ir tieši proporcionāli berzes koeficientam pa cauruļvadu, kas ir saistīts ar caurules sienas raupjumu. Dažādiem cauruļu materiāliem ir atšķirīgs raupjums, un čuguna caurules ir salīdzinoši raupjas, tāpēc berzes koeficients pa cauruļvadu ir lielāks; plastmasas caurules ir salīdzinoši gludas, tāpēc berzes koeficients gar cauruļvadu ir mazāks. Tas ir arī proporcionāls caurules garumam; apgriezti proporcionāls caurules diametram. Proti, kad plūsmas ātrums ir nemainīgs, jo mazāks ir caurules diametrs un lielāks plūsmas ātrums, jo lielāki zudumi cauruļvadā; tas ir arī tieši proporcionāls plūsmas ātruma kvadrātveida vērtībai. Protams, aprēķins ir diezgan sarežģīts. Aprēķiniem var izmantot vienkāršu metodi.
Vietējie zudumi cauruļvados rodas, kad ūdens plūst caur cauruļvada veidgabaliem, piemēram, apakšējiem vārstiem, vārstiem, līkumiem un reduktoriem. Vietējo ierīču dēļ plūsmas modelis mainās; mainās arī plūsmas virziens un ātrums, un plūsmas laikā parādās virpuļi, kas izraisa ūdens sadursmi un triecienu vienam pret otru. Šāda veida hidrauliskos zudumus, ko izraisa vietējā pretestība, sauc par vietējiem zaudējumiem.
Vietējo zudumu lielums ir tieši proporcionāls ūdens plūsmas ātruma kvadrātam, kas iet cauri cauruļu veidgabaliem, kā arī ir saistīts ar veidgabalu formu un daudzumu. Ja armatūras -šķērsgriezuma forma būtiski mainās un veidgabalu ir liels skaits, lokālie zudumi būs lielāki. Kad cauruļvada izvietojuma shēma ir noteikta, pēc aprēķina metodes jāaprēķina cauruļvada zudumu augstums un pēc tam jānosaka sūkņu stacijas projektētais augstums. Tikai pēc tam var veikt sūkņa izvēli. Tomēr aprēķina procedūra ir samērā sarežģīta. Vienkāršības labad aprēķinu datus var apkopot tabulā ātrai uzziņai. Turklāt var veikt aptuvenu aprēķinu: zuduma līmenis ir vienāds ar 30% līdz 50% no faktiskā reljefa ūdens pacelšanas augstuma (mērīts). Mazākiem cauruļu diametriem un īsākiem cauruļvadiem ir jāņem lielāka vērtība; lielākam cauruļu diametram un garākiem cauruļvadiem jāņem mazāka vērtība.
Cauruļvada kopējos zudumus trasē un vietējos zudumus var aprēķināt, izmantojot esošo programmatūru, piemēram, Yi Wei izstrādāto atlases programmatūras sistēmu, lai atvieglotu aprēķina procesu.
Spiediena zudums, kad šķidrums plūst taisnā caurulē
Spiediena zudumu, šķidrumam plūstot taisnā caurulē, izraisa berze šķidruma kustības laikā, un to sauc par berzes spiediena zudumu. Tas galvenokārt ir atkarīgs no cauruļvada garuma, iekšējā diametra, šķidruma plūsmas ātruma un šķidruma viskozitātes utt. Spiediena zudumi mainās atkarībā no dažādiem šķidruma plūsmas stāvokļiem. Hidrauliskajā transmisijā visizplatītākā ir šķidruma laminārā plūsma apļveida caurulē, tāpēc, projektējot hidraulisko sistēmu, bieži ir vēlme saglabāt šķidruma plūsmu cauruļvadā laminārā stāvoklī.
Spiediena zudumi pa šķidrumu plūsmas ceļu cauruļvados. Spiediena zudums laminārās plūsmas laikā. Hidrauliskajā transmisijā lielākā daļa šķidruma plūsmas stāvokļa ir lamināra plūsma. Šajā stāvoklī teorētiski var aprēķināt šķidruma, kas plūst caur taisnu cauruli, spiediena zudumu.
Laminārā plūsma apļveida caurulē (1) Šķidruma ātruma sadalījuma likums plūsmas šķērsgriezumā. Kā parādīts iepriekš attēlā, šķidrums pārvietojas laminārā veidā pa apļveida cauruli ar diametru d. Caurule tiek novietota horizontāli, un caurules iekšpusē tiek ņemts neliels cilindrs, kura ass sakrīt ar caurules asi. Lai tā rādiuss ir r un garums ir l. Spēki, kas iedarbojas uz šo mazo cilindru pa caurules ass virzienu, ir: spiediens kreisajā galā p1, spiediens labajā galā p2 un berzes spēks uz cilindra virsmu Ff. Tad spēka līdzsvara vienādojums ir:
No (2-6) vienādojuma mēs varam secināt:
Formulā: μ apzīmē dinamisko viskozitāti. Tā kā ātruma du pieaugumam ir pretēja zīme rādiusa dr pieaugumam, formulā tiek pievienota negatīva zīme. Turklāt Δp=p1 - p2. Aizvietojot Δp un vienādojumu (2-45) vienādojumā (2-44), mēs iegūstam:
Integrālis attiecībā pret mainīgo ir:
Ja r=R, u=0., aizstājot to vienādojumā (2-47), tiek iegūts:
Tad
No formulas var redzēt, ka plūsmas ātrums u caurules iekšpusē ir sadalīts pa rādiusa virzienu saskaņā ar parabolisko likumu. Maksimālais plūsmas ātrums rodas uz ass, un tā vērtība ir:
(2) Plūsmas ātrums cauruļvadā.
Šāviņa tilpums, kas parādīts attēlā (b), ir šķidruma tilpums, kas plūst caur plūsmas šķērsgriezumu-laika vienībā, kas ir plūsmas ātrums. Lai aprēķinātu tā tilpumu, var ņemt plānu riņķveida gredzenu ar biezumu dr pie r rādiusa. Šīs gredzenveida laukuma plūsmas ātrums ir:
Integrāļa aprēķinam mēs varam iegūt plūsmas ātrumu q:
(3) Vidējais plūsmas ātrums. Lai vidējais plūsmas ātrums caurulē ir υ
Salīdzinājumam mēs varam iegūt saistību starp vidējo plūsmas ātrumu un maksimālo plūsmas ātrumu:
(4) Spiediena zudums ceļā. Laminārās plūsmas stāvoklī spiediena zudumu šķidruma ceļā, kas plūst caur taisnu cauruli, var aprēķināt, izmantojot formulu:
No vienādojuma var redzēt, ka laminārās plūsmas stāvoklī šķidruma, kas plūst caur taisnu cauruli, spiediena zudums ir proporcionāls dinamiskajai viskozitātei, caurules garumam un plūsmas ātrumam un apgriezti proporcionāls caurules diametra kvadrātam. Praktiski aprēķinot spiediena zudumu, lai vienkāršotu aprēķinu, mēs izmantojam μ=υdρ/Re un aizstājam μ=υdρ/Re, un reiziniet gan skaitītāju, gan saucēju ar 2g, lai iegūtu:
Formulā: λ apzīmē berzes koeficientu gar ceļu. Tā teorētiskā vērtība ir λ=64/Re, savukārt praksē dažādu faktoru ietekmē gludām metāla caurulēm tiek ņemts λ=75/Re, bet gumijas caurulēm — λ=80/Re. Turbulentā plūsmā spiediena zudumu izraisa katras daļiņas laminārā plūsma, kurai ir regulāra aksiāla kustība. Sānu kustības nav. Viena no svarīgajām turbulentās plūsmas īpašībām ir tāda, ka šķidruma daļiņām vairs nav regulāras aksiālas kustības, bet tās kustības laikā sajaucas un pulsē viena ar otru. Šī ārkārtīgi neregulārā kustība izraisa sadursmes starp daļiņām un veido virpuļus, kā rezultātā turbulentā plūsmā rodas daudz lielāks enerģijas zudums nekā laminārā plūsmā. Turbulentās plūsmas fenomena sarežģītības dēļ līdz šim, pilnībā pētot to ar teorētiskām metodēm, nav sasniegti apmierinoši rezultāti. Tāpēc pētījumiem joprojām tiek izmantoti eksperimenti, kas papildināti ar teorētiskiem skaidrojumiem. Tādējādi šķidruma plūsmas spiediena zudums turbulentā stāvoklī joprojām tiek aprēķināts, izmantojot formulu, un λ vērtība ir saistīta ne tikai ar Reinoldsa skaitli Re, bet arī ar caurules sienas virsmas raupjumu.
2. Vietējais spiediena zudums
Vietējie spiediena zudumi ir spiediena zudumi, ko izraisa šķidruma plūsma, kas iet caur vārstu atverēm, līkumiem, plūsmas šķērsgriezuma -griezuma izmaiņām utt. Šķidrumam plūstot cauri šīm zonām, mainoties šķidruma plūsmas virzienam un ātrumam, veidojas virpuļi, izraisot šķidruma daļiņu savstarpēju sadursmi, tādējādi radot ievērojamus enerģijas zudumus.
Vietējā spiediena zuduma aprēķina formulu pēkšņi paplašinātajā sadaļā var izteikt šādi:
Formulā: ir lokālais pretestības koeficients, kura vērtību var iegūt tikai teorētiski atvasinot, kad šķidrums plūst cauri pēkšņi paplašinātam šķērsgriezumam; pretējā gadījumā tas ir jānosaka ar eksperimentiem. ir šķidruma vidējais plūsmas ātrums, kas parasti attiecas uz plūsmas ātrumu lejpus vietējās pretestības. Cauruļvadu sistēmas kopējais spiediena zudums ir vienāds ar visu kursu -spiediena zudumu-un visu lokālo spiediena zudumu summu, tas ir:
