Реферат: Напорное и безнапорное течение

классификация

классификация

По характеру изменения поля скоростей во времени движения жидкости делятся на установившиеся, неустановившиеся. Установившееся движение - движение, при котором, в любой точке потока жидкости скорость (и давление) с течением времени не изменяется, т.е.

Примерами установившегося движения могут быть: истечение топлива из крана бензобака при неизменном уровне топлива в баке, а также движение воды в канале с постоянными геометрическими параметрами: площадью поперечного сечения. Неустановившееся движение - движение, при котором в любой точке потока жидкости скорость с течением времени изменяется, т.е.

Примерами неустановившегося движения могут быть: истечение топлива из крана бензобака при его опорожнении, а также течение воды в реке при прохождении паводка.

классификация

классификация

5 классификация

Все виды движения, рассматриваемая как сплошная среда является пространственными (происходят в пространстве). Вместе с тем внутри пространственного движения можно различить следующие частные случае его, которое и составляют 6 классификацию (в зависимости от характера, например, векторных полей скорости и ускорения).

классификация

. Общие понятия о напорном и безнапорном течении жидкости

Движение реальной жидкости в потоке характеризуется условиями течения. Течение жидкости в трубопроводах различного сечения может происходить в условиях полного их заполнения рис 2 (а) 4, то есть когда частицы с жидкостью соприкасаются с внутренней поверхностью трубопровода по всему периметру сечения.

Рисунок 2 - Напорное (а) и безнапорное (б) движение

Х - смоченный периметр

Давление жидкости в таком трубопроводе вдоль потока не остается постоянным. Такое движение называется напорным. Примером напорного движения служит обычный трубопровод.

Течение реальной жидкости может происходить в открытых руслах, желобах или трубопроводах при условии неполого затопления труб, то есть когда частицы жидкости соприкасаются с внутренней поверхностью трубопровода не по всему периметру сечения, а только по части периметра х.

В этом случае образующаяся в верхней части потока свободная поверхность жидкости и давления вдоль потока остается постоянным. Это движение называется безнапорным. Примером является: течение воды в желобах, в естественных потоках, а также в трубопроводах канализационных сетей.

К гидравлическим характеристикам напорного и безнапорного движения жидкости относятся: живое сечение потока, гидравлический радиус, гидравлический уклон, расход, средняя скорость.                                                  

Живое сечение потока - называется сечение перпендикулярное потоку. Та часть периметра х живого сечения потока, по которому происходит соприкосновение частиц жидкости с внутренней поверхностью трубопровода, желоба или ложа естественного потока, называется смоченным периметром.

Отношение живого сечения потока F смоченному периметру х называется гидравлическим радиусом

 (5)

В гидравлике гидравлическим радиусом принято характеризовать форму сечения потока. Гидравлический радиус потока для круглой трубы в условиях напорного движения

 (6)

При напорном движении в трубе круглого сечения гидравлический радиус будет равен:

, (7)

т.е. четверти диаметра, или половине радиуса трубы.

Для безнапорного потока прямоугольного сечения с размерами a гидравлический радиус можно вычислить по формуле.

 (8)

6. Расчет напорных потоков

Режимы движения всех потоков (напорных и безнапорных) делятся на два типа

) ламинарный, то есть спокойный, параллельноструйный, при малых скоростях;

) турбулентный, то есть бурлящий, вихреобразный, с водоворотами, при больших скоростях.

Для выяснения типа режима нужно рассчитать число Рейнольдса Re и сравнить его с критическим Reкр.

Число Рeйнольдса Re — это безразмерный критерий, вычисляемый по формулам:

— для напорных потоков

где d — внутренний диаметр напорного трубопровода;

— для безнапорных потоков

где R — гидравлический радиус безнапорного потока, м

Критическое число Рейнольдса Reкр - это число Рейнольдса, при котором наступает смена режима движения.

Для напорных потоков Reкр=2320.

Для безнапорных потоков Reкр » 500.

Расчёт напорных потоков сводится к нахождению неизвестных расходов q , скоростей v или потерь напора (разности напоров) H. Для трубопроводов определяются их внутренние диаметры d.

Общие потери напора (или разность напоров) определяются по формуле Вeйсбаха

где z — коэффициент гидравлического сопротивления.

Скорость потока связана с расходом соотношением вида

=q/,

где  — площадь живого сечения потока. Например, для трубы круглого сечения

 =πd2/4.

Таким образом, приведённые зависимости связывают величины H, v, q, , d, что позволяет рассчитать любой напорный поток. Значения коэффициента z принимаются в зависимости от вида определяемых потерь напора (линейных или местных).

Общие потери напора H (м)в любом потоке представляют собой сумму линейных hl и местных hм потерь:

H =

Рисунок 3 - Потери напора: а -линейное; б-местные; 1- трубопровод;2 - напорная линия; 3-местное сопротивление

Линейные потери напора hl возникают на прямых участках труб. В литературе иногда встречаются другие варианты названий hl: потери напора по длине; потери напора на трение; путевые потери напора. Величина hl определяется по формуле Вeйсбаха в такой записи:

Здесь коэффициент линейного гидравлического сопротивления находится так:

где  - коэффициент гидравлического трения; l - длина прямолинейного участка трубопровода.

Коэффициент гидравлического трения  зависит от режима движения потока— ламинарного или турбулентного.

При ламинарном режиме

При турбулентном режиме

где  — абсолютная шероховатость стенок трубопроводов. Например, у старых стальных труб  » 1,5 мм.

Гидравлическим уклоном i называется отношение линейных потерь напора hl к длине потока l (см. рис. 13, а):

= hl / l.

Местные потери напора hм возникают в местах резкой деформации потока: на поворотах труб, в местных сужениях или расширениях, тройниках, крестовинах, в кранах, вентилях, задвижках. На напорной линии они изображаются в виде падающего скачкообразного участка hм.

Формула Вeйсбаха для местных потерь напора имеет вид

где  — коэффициент местного гидравлического сопротивления. Он принимается для конкретного участка деформации потока (поворота, крана и т.д.) по справочным данным.

. Расчет безнапорных потоков

Расчёт безнапорных потоков состоит в решении совместной задачи о пропуске расхода q при допустимых скоростях потока v и геометрических уклонах iгеом днища труб, каналов и т.д. Безнапорные (со свободной поверхностью) потоки наблюдаются в канализационных трубах, дорожных лотках, каналах; в природе в реках, ручьях.

При расчёте безнапорных потоков вводится допущение о равномерном движении потока: геометрический уклон дна iгеом считается равным уклону свободной поверхности (пьезометрическому уклону) и гидравлическому уклону i. Другими словами, поверхность дна 1, свободная поверхность потока 2 и напорная линия 3 параллельны друг другу. Это упрощает расчёт, так как определяя гидравлический i, автоматически находят уклон дна iгеом.

Рисунок 4 - Безнапорный поток: 1 - дно; 2 - свободная поверхность; 3 - напорная линия; 4 - трубка Пито; 5- горизонталь

На рис. в точках потока А и В напоры существуют, и их отметки могут быть зарегистрированы трубками Питo соответственно НА и НВ. Разность напоров НА – НВ равна линейной потере напора hl на участке потока длиной l. Величина hl по принятому допущению равна z — разности высотных отметок дна в начале и конце участка, так как i = hl /l , iгеом = z/l, а i = iгеом.

Местные потери напора hм возникают в безнапорных потоках так же, как и в напорных, в местах резкой деформации потока: на поворотах, в тройниках, крестовинах, местных сужениях и т.д. Однако в расчётах безнапорных потоков величины hм обычно не учитывают.

При проведении гидравлического расчёта безнапорных потоков вводятся ограничения по скорости v (м/с), наполнению h/d и уклону iгеом. Например, при расчёте канализационных труб должны быть выполнены три таких ограничения:

,7

0,3

1/dмм  iгеом 0,15,

где dмм — внутренний диаметр трубы в мм.

Для расчёта безнапорных потоков широко применяется формула Шезu:

где R — гидравлический радиус (м); С — коэффициент Шезu.

Коэффициент Шезu можно определить по формуле Маннинга

где n - коэффициент шероховатости стенок трубы или канала;— гидравлический радиус, подставляемый в метрах.

Скорость потока связана с расходом соотношением вида

Таким образом, приведённые формулы позволяют осуществлять гидравлический расчёт любых безнапорных потоков. Обычно для расчётов используются вспомогательные таблицы или номограммы, составленные на основе формулы Шези.

Отметим, что формула Шези справедлива для потоков с турбулентным режимом. Таких потоков на практике подавляющее большинство.

. Методы измерения расхода воды в напорных и безнапорных потоках. Необходимое измерительное оборудование

Необходимо выяснить, какой поток необходимо учитывать, напорный или безнапорный.

Напорный поток - со всех сторон ограничен стенками водовода, давление в любой точке потока отличается от атмосферного, водовод полностью заполнен. Как правило, напорными являются системы водоснабжения и теплоснабжения.

Безнапорный поток - имеет свободную поверхность, на которую воздействует атмосферное давление - водовод либо открыт, либо попросту не заполнен до конца. Движение жидкости в этом случае происходит под действием силы тяжести самого потока. В природе примером безнапорного потока являются ручьи и реки. Безнапорными, зачастую, являются системы водоотведения - ливневые, дренажные и хозяйственно-бытовые сточные воды.

Узел учета - это совокупность приборов и устройств, которые обеспечивают учет количества протекающей жидкости.

Средство измерения (прибор учета, расходомер) - техническое средство, предназначенное для измерений. Имеет нормированные метрологические характеристики, умеет хранить и/или воспроизводить некую измеренную физическую величину в пределах установленной погрешности. В данном случае основным значением измерения является объем протекающей жидкости.

Первичный преобразователь расхода - составная часть средства измерения, обеспечивающая первичное измерение параметров протекающей жидкости и передающая их на вторичный преобразователь.

Вторичный преобразователь расхода - составная часть средства измерения, принимающая информацию о параметрах протекающей жидкости от первичных преобразователей и вычисляющая непосредственно расход. Именно вторичный преобразователь хранит и/или воспроизводит информацию об объеме протекающей жидкости.

Наиболее распространенные методы измерения напорных потоков. Для определения расхода в напорных потоках достаточно измерять один параметр протекающей жидкости - скорость. Площадь сечения всегда известна и ограничена стенками водовода. Расход определяется путем перемножения скорости потока жидкости на площадь проходного сечения.

Тахометрический метод - так называемые, механические расходомеры, среди них можно выделить крыльчатые, турбинные и винтовые. Принцип действия основан на измерении скорости подвижного элемента, который вращается под воздействием протекающей жидкости. Наиболее доступное по стоимости оборудование, но имеет целый ряд ограничений к применению.

Преимущества:

·        первичный преобразователь расхода не нуждается в питании, работает автономно;