Течност в епруветката: често задавани въпроси

Тема этой статьи - жидкость в трубе. Нам предстоит знакомство с физическими законами и формулами, описывающими ее движение, скорость и объем. Мы постараемся не лезть в дебри сложных расчетов: наша задача - описать те закономерности, которые будут понятны и доступны для вычисления человеку, далекому от гидродинамики.

Така че, нека да започнем.

размери

диаметър

При тръбите за вода и газ имаме работа с непълна система за измерване. За съответните тръбопроводи се използва като основен параметър донякъде необичайната концепция за условно преминаване или условен диаметър (DU). Измерва се в инчове и милиметри; една и съща VGP тръба може да се продава като 1 1/4 инч или DN32 мм.

Референция: Като мярка за дължина в този случай се използва британски инч, равен на 2,54 сантиметра. При преизчисляване на инча в милиметри трябва да се вземе предвид предписаната стъпка на стандартния диаметър на GOST; Така че, в горния случай просто преброяване от 1 1/4 инч до милиметри няма да даде 32, но 1,25 х 2,54 = 31,75 mm.

Нека да дадем размерите на водопроводните тръби, предвидени в GOST 3262-75.

Тъй като дебелината на стените варира в рамките на един и същи размер (тръбите се правят леки, обикновени и подсилени), можем да кажем, че ДМ обикновено е близък до вътрешния диаметър, но по принцип не е равно на него.

Сечение

При изграждането на водопроводни тръби се използват тръби с кръгло напречно сечение, с редки изключения.

Има две много добри причини за това.

1. За кръгла тръба минималната площ на стената в максималната площ на напречното сечение. Стало быть, цена погонного метра трубопровода при фиксированной толщине стенки будет минимальной - просто из-за меньшего расхода материала.
2. Кръгът осигурява максимална якост на опън, Факт е, че силата, с която вътрешната среда с прекомерно налягане се притиска към стените, е пряко пропорционална на тяхната площ; и областта, както вече видяхме, е минимална при кръглата тръба.

Площадь внутреннего сечения вычисляется по формуле S=Pi*R^2, где S - искомое значение площади, Pi - число "пи", приблизительно равное 3,14159265, а R - радиус (половина внутреннего диаметра). Скажем, у трубы с внутренним диаметром 200 мм сечение будет равно 3,14159265х(0,1^2)=0,031 м2.

Поскольку течение жидкости в круглой трубе не всегда связано с заполнением всего ее объема, при расчетах нередко используется понятие "живого сечения". Так называют площадь сечения потока. Скажем, при заполнении трубы ровно наполовину она будет равна (Pi*R^2)/2 (в приведенном выше примере - 0,031/2=0,00155 м2).

обем

Нека разберем какъв е обемът на течността в тръбата. От гледна точка на геометрията всяка тръба е цилиндър. Обемът му се изчислява като продукт на площта на напречното сечение и дължината.

По този начин, с площ на напречното сечение от 0,031 m2, обемът на течността в напълно напълнен тръбопровод с дължина 8 метра ще бъде 0,031х8 = 0,248 m3.

При частично напълнена тръба се използва средното напречно сечение за жизнения цикъл на изчислението. При постоянен наклон и скорост на потока течният поток през тръбите ще бъде еднакъв; съответно, секцията на живо ще бъде еднаква във всички секции на тръбопровода без налягане.

потребление

Нека видим как изглежда изчислението на потока течност през тръбата. Проблемът има голяма практическа стойност: той е пряко свързан с изчисляването на водопроводните тръби с определен брой санитарни устройства.

Трябва да ви наскърбят: не съществува прост и универсален метод за изчисление. Защо?

Просто защото, когато извършвате цялостно хидродинамично изчисление със собствените си ръце, трябва да имате предвид огромен брой фактори:

• Коефициент на триене на вътрешната повърхност на тръбата. Очевидно, грубата, утаената стомана ще осигури много по-голяма устойчивост срещу движението на водата, отколкото плавен полипропилен.

• Дължина на тръбопровода. Колкото по-голямо е разстоянието за преминаване през течността, толкова по-голямо е спадът на налягането, дължащ се на спирането на потока към стената, толкова повече потокът ще намалее.
• диаметър трубопровода влияет на течение вязкой жидкости по трубам куда более сложным образом, чем это может показаться. Чем меньше сечение, тем большее сопротивление труба оказывает потоку. Причина - в том, что с уменьшением диаметра изменяется соотношение ее внутреннего объема и площади стенок.

Обърнете внимание! В дебелия тръбопровод частта от потока близо до стените служи като вид смазка за вътрешната му част. При тънки, дебелината на слоя на това смазващо вещество е недостатъчна.

• И накрая, всеки ход на тръбопровода, преходът на диаметъра, всеки елемент на спирателния вентил също влияе върху потока на течността в него, като потиска потока.

Трябва да се разбере, че всички изброени по-горе фактори не влияят на резултата с няколко процента: например за нова стоманена тръба с полирана вътрешна повърхност и за пресечени утайки (дори без отклонение), хидродинамичната устойчивост се различава с повече от 200 пъти.

За професионалистите всички данни, необходими за хидравличното изчисляване на тръбопровода, като се вземат предвид пълната му конфигурация, материал и възраст, са дадени в таблиците на F.A. Sheveleva. Въз основа на тези таблици са създадени много онлайн калкулатори, които ви позволяват да извършвате изчисления с различна степен на сигурност.

Има обаче една празнота, която прави възможно съществено опростяване на независимите изчисления. За сметка на течността през дупката, незначителна в сравнение с тръбата за доставка на течност (която всъщност наблюдаваме, когато повечето водопроводни устройства работят), действа законът на Торицели.

Согласно этому закону, в описанном случае действует формула V^2=2gH, где V - скорость потока в отверстии, g - ускорение свободного падения (9,78 м*с^2), а H - высота столба над отверстием или, что то же самое, напор перед ним.

Справка: 1 атмосфера (1 kgf / cm2) съответства на главата на водния стълб на 10 метра.

Как се вмества дебитът в отвора с дебита? В нашия случай инструкцията за изчисление е проста: през отвор с площ на напречното сечение S, ще премине обем от течност, равен на продукта на S със скоростта на потока V.

Да вземем като пример водния поток през 2-сантиметров отвор с глава от 10 метра, съответстващ на една атмосфера на свръхналягане.

1. V ^ 2 = 2 х 9.78 * 10 = 195.6
2. V е квадратният корен на 195.6. Резултатът (13.985706 m / s) за опростяване на изчисленията е закръглен до 14 m / s.
3. Площта на напречното сечение на отвор с диаметър от два сантиметра, съгласно формулата, дадена по-горе, е 3.14159265 * 0.01 ^ 2 = 0.000314159265 m2.
4. потребление, стало быть, будет равным 0,000314159265*14=0,00439822971 м3/с. Для удобства переведем его в литры: поскольку 1 кубометр равен 1000 литров, в сухом остатке будет результат в 4,4 литра в секунду.

За по-голяма изчерпателност ние даваме някои референтни данни.

Дебит

Как изглежда изчисляването на дебита на течността в тръбата? В случай на изтичане през дупка с малък диаметър, се прилага горепосоченият закон Torricelli.

Однако в большинстве случаев скорость потока жидкости в трубе рассчитывается для трубопровода большой протяженности, гидравлическим сопротивлением которого нельзя пренебречь. Раз так - мы сталкиваемся с теми же проблемами: на скорость при постоянном перепаде на участке влияет слишком большое количество факторов.

Ситуация резко упрощается, если нам известен расход. Для несжимаемых жидкостей действует упрощенная формула уравнения непрерывности: Q=Av, где Q - расход воды в метрах в секунду,  А - площадь полного или живого сечения, v - средняя скорость жидкости в трубе круглого сечения или любой другой формы.

Познавайки горните референтни данни за потреблението на вода чрез водопровод, не е трудно да се изчисли скоростта на потока във водопровод с известен диаметър.

Като пример, нека разберем колко бързо водата се движи в тръбопровода с вътрешен диаметър от 15 мм (0.015 м), като едновременно с това се пълни резервоарът за източване, използвайки съдомиялна машина и мивка.

1. Суммарный расход воды приборами, согласно приведенной выше таблице, составит 0,1 + 0,ли + 0,12 = 0,52 л/с, или 0,00052 м3/с.
2. Площта на напречното сечение на тръбата е 3.14159265 х 0.0075 m ^ 2 = 0.000176714865625 m2.
3. Дебит в метрах в секунду равна 0,00052 / 0,000176714865625 = 2,96.

За справка даваме някои стойности на скоростта на водата в тръбопроводи с различни цели.

Това е полезно: скоростта на потока до 1,5 m / s се счита за удобна и не предизвиква ускоряване на абразивната ерозия на стените на тръбопровода. Допуска се временно да се увеличи скоростта до 2,5 m / s.

диаметър и давление

Еще один любопытный аспект поведения жидкости в трубе - взаимосвязь между скоростью потока и статическим давлением в нем. Она описывается законом Бернулли: статическое давление обратно пропорционально скорости потока.

Практическото приложение на този закон е въплътено в много съвременни механизми.

Ето само няколко примера:

• Пневматичното пистолетно устройство работи точно благодарение на вакуума, създаден в струята, който буквално изсмуква багрилото от резервоара и го превръща в аерозол, носен върху повърхността, която ще бъде боядисана.
• В асансьора на къща, свързана към отоплителния тръбопровод, вакуум във водната струя, генерирана от захранващия тръбопровод, подава част от водата от връщащата тръба чрез засмукване към повтарящ се цикъл на циркулация.

Заключение

Надеемся, что читатель не нашел наш небольшой экскурс в основы физики, геометрии и гидродинамики слишком утомительным. Как обычно, дополнительную тематическую информацию можно обнаружить в видео в этой статье (см.также статью "Дымоходные трубы: монтаж и обслуживание").

Успех!