Как мы все знаем, трубы — это твердые вещества, а вода — это жидкость, которая легко течет. Если вода внутри трубы течет, часть энергии должна быть преобразована в тепловую энергию и «потреблена», то есть часть давления воды (или называемого напора) теряется. Это отражение объективных вещей и неизбежный закон движения водных потоков. Обычно мы называем это явление преобразования энергии «потерей энергии» (или «гидравлическими потерями», «потерей напора»). Он рассчитывается в метрах.
Насос
Насколько существенно влияние сопротивления трубопровода на напор?
Некоторые пользователи замерили, что, хотя расстояние по вертикали от резервуара или водонапорной башни до поверхности источника воды все еще немного меньше напора насоса, объем воды все равно остается небольшим или воду невозможно перекачивать. Распространенной причиной является слишком большая длина трубопровода и наличие большого количества изгибов водопроводной трубы, что приводит к чрезмерной потере сопротивления потоку воды в трубопроводе. Как правило, изгиб на 90 градусов имеет большее сопротивление, чем изгиб на 120 градусов. Потери сопротивления каждого 90-градусного изгиба составляют примерно 0,5-1 метр, а сопротивление каждых 20 метров трубопровода может привести к потере примерно 1 метра напора. Кроме того, некоторые пользователи также случайным образом меняют диаметры впускных и выпускных труб насоса, что также оказывает определенное влияние на напор. Итак, насколько сопротивление трубопровода влияет на напор? Далее давайте посмотрим на таблицу ниже.
Понимаете ли вы причины потери воды, вызванной течением воды в трубе? Вопрос 1: Это связано с мешающим действием шероховатых стенок трубы.
2. Это относительное движение между различными слоями потока воды.. 3. Это вихрь, образующийся в результате локального быстрого изменения потока воды внутри трубопроводной арматуры. Гидравлические потери трубопровода (сети) состоят из двух частей: потерь по трубопроводу и местных потерь. В технике мы должны рассчитать и знать величину этих потерь, чтобы правильно выбрать насос и определить необходимый напор насоса.
Потери в трубопроводе на всем пути течения представляют собой сопротивление трения, возникающее на протяжении всего процесса течения. Это связано с такими факторами, как шероховатость стенки трубы, длина трубы, диаметр трубы и скорость потока. Опираясь на принципы гидравлики, можно установить ее взаимосвязь.
Потери по трубопроводу прямо пропорциональны коэффициенту трения по трубопроводу, который связан с шероховатостью стенки трубы. Разные материалы труб имеют разную шероховатость, а чугунные трубы относительно шероховатые, поэтому коэффициент трения вдоль трубопровода больше; пластиковые трубы относительно гладкие, поэтому коэффициент трения вдоль трубопровода меньше. Он также пропорционален длине трубы; обратно пропорциональна диаметру трубы. То есть, когда скорость потока постоянна, чем меньше диаметр трубы и чем выше скорость потока, тем больше потери в трубопроводе; она также прямо пропорциональна квадрату скорости потока. Конечно, расчет довольно сложен. Для оценки можно использовать простой метод.
Локальные потери в трубопроводах возникают, когда вода течет через такие фитинги, как донные клапаны, клапаны, колена и переходники в трубопроводе. За счет местных устройств меняется структура потока; направление и скорость потока также изменяются, во время течения возникают вихри, заставляющие воды сталкиваться и ударяться друг о друга. Этот вид гидравлических потерь, вызванный местным сопротивлением, называется локальными потерями.
Величина местных потерь прямо пропорциональна квадрату скорости потока воды, проходящей через трубопроводную арматуру, а также связана с формой и количеством арматуры. Если форма поперечного-сечения фитингов значительно изменится и имеется большое количество фитингов, локальные потери будут больше. После определения схемы прокладки трубопровода расчетным методом необходимо рассчитать потери напора в трубопроводе, а затем определить расчетный напор насосной станции. Только после этого можно осуществлять выбор насоса. Однако процедура расчета достаточно сложна. Для простоты данные расчета можно свести в таблицу для быстрого ознакомления. Кроме того, можно сделать приблизительную оценку: потеря напора эквивалентна от 30% до 50% фактической высоты подъема воды на местности (измеренной). Для меньших диаметров труб и более коротких трубопроводов следует принимать большее значение; для труб большего диаметра и более длинных трубопроводов следует принимать меньшее значение.
Общие потери трубопровода на маршруте и местные потери могут быть рассчитаны с использованием существующего программного обеспечения, такого как система программного обеспечения выбора, разработанная И Вэем, для облегчения процесса расчета.
Потеря давления при движении жидкости по прямой трубе
Потеря давления при движении жидкости по прямой трубе вызвана трением при движении жидкости и называется потерей давления на трение. В основном это зависит от длины трубопровода, внутреннего диаметра, скорости потока жидкости, вязкости жидкости и т. д. Потеря давления варьируется в зависимости от различных состояний потока жидкости. В гидротрансмиссии наиболее распространено ламинарное течение жидкости в круглой трубе, поэтому при проектировании гидросистемы часто желательно поддерживать течение жидкости в трубопроводе в ламинарном состоянии.
Потери давления на пути движения жидкостей в трубопроводах. Потеря давления при ламинарном потоке. В гидравлической трансмиссии большая часть потока жидкости является ламинарным. В этом состоянии потерю давления жидкости, текущей по прямой трубе, можно рассчитать теоретически.
Ламинарное течение в круглой трубе (1) Закон распределения скорости жидкости по сечению потока-. Как показано на рисунке выше, жидкость движется ламинарно по круглой трубе диаметром d. Трубу располагают горизонтально, а внутрь трубы берут небольшой цилиндр, ось которого совпадает с осью трубы. Пусть его радиус равен r, а длина равна l. Силы, действующие на этот небольшой цилиндр в направлении оси трубы, таковы: давление на левом конце p1, давление на правом конце p2 и сила трения на поверхности цилиндра Ff. Тогда уравнение баланса сил имеет вид:
Из уравнения (2-6) мы можем сделать вывод:
В формуле: μ представляет собой динамическую вязкость. Поскольку приращение скорости du имеет знак, противоположный приращению радиуса dr, в формулу добавляется отрицательный знак. Кроме того, Δp=p1 - p2. Подставляя Δp и уравнение (2-45) в уравнение (2-44), получаем:
Интеграл по переменной равен:
Когда r=R, u=0. Подстановка этого в уравнение (2-47) дает:
Затем
Из формулы видно, что скорость потока u внутри трубы распределяется по радиусному направлению по параболическому закону. Максимальная скорость потока возникает на оси, и ее значение составляет:
(2) Скорость потока в трубопроводе.
Объем снаряда, показанный на рисунке (b), представляет собой объем жидкости, протекающей через поперечное сечение-потока в единицу времени, что является скоростью потока. Для расчета его объема можно взять тонкое круглое кольцо толщиной dr и радиусом r. Расход этой кольцевой области составляет:
Для интегрального расчета можно получить расход q:
(3) Средняя скорость потока. Пусть средняя скорость потока внутри трубы равна υ
Для сравнения можно получить зависимость между средним расходом и максимальным расходом:
(4) Потеря давления на пути. В состоянии ламинарного течения потери давления на пути движения жидкости по прямой трубе можно рассчитать по формуле:
Из уравнения видно, что в состоянии ламинарного потока потеря давления жидкости, текущей по прямой трубе, пропорциональна динамической вязкости, длине трубы и скорости потока и обратно пропорциональна квадрату диаметра трубы. При расчете потерь давления на практике для упрощения расчета мы имеем µ=υdρ/Re, подставляем µ=υdρ/Re и умножаем числитель и знаменатель на 2g, чтобы получить:
В формуле: λ представляет коэффициент трения на пути. Его теоретическое значение составляет λ=64/Re, тогда как на практике в силу различных факторов для гладких металлических труб принимают λ=75/Re, а для резиновых труб принимают λ=80/Re. В турбулентном потоке потеря давления вызвана ламинарным потоком каждой частицы, имеющим регулярное осевое движение. Бокового движения нет. Одной из важных характеристик турбулентного потока является то, что частицы жидкости больше не совершают регулярного осевого движения, а вместо этого смешиваются и пульсируют друг с другом во время движения. Это чрезвычайно нерегулярное движение вызывает столкновения между частицами и образует вихри, что приводит к гораздо большим потерям энергии в турбулентном потоке, чем в ламинарном потоке. Из-за сложности явления турбулентного течения до сих пор не достигнуто удовлетворительных результатов при его полном изучении теоретическими методами. Поэтому для исследования по-прежнему используются эксперименты, дополненные теоретическими объяснениями. Таким образом, потеря давления потока жидкости в турбулентном состоянии по-прежнему рассчитывается по формуле, а величина λ связана не только с числом Рейнольдса Re, но и с шероховатостью поверхности стенки трубы.
2. Местная потеря давления
К локальной потере давления относятся потери давления, вызванные прохождением потока жидкости через отверстия клапана, изгибами, изменением сечения потока-и т. д. Когда жидкость протекает через эти области, из-за изменения направления и скорости потока жидкости образуются вихри, в результате чего частицы жидкости сталкиваются друг с другом, что приводит к значительным потерям энергии.
Формулу расчета местных потерь давления во внезапно расширившейся секции можно выразить следующим образом:
В формуле: — коэффициент местного сопротивления, значение которого можно получить только теоретическим выводом при протекании жидкости через внезапно расширившееся поперечное-сечение; в противном случае это должно быть определено экспериментально. — средняя скорость потока жидкости, обычно относящаяся к скорости потока после местного сопротивления. Суммарные потери давления в системе трубопроводов равны сумме потерь давления по всему--трассе и всех местных потерь давления, то есть:
