Станислав Горобченко - Курс «Трубопроводная арматура». Модуль «Пневмоприводы и приборы управления пневмоприводами»

Движение и истечение жидкостей и газов

Если в движущуюся жидкость ввести несколько расположенных по кольцу струек, то они вытянуться в тонкие непересекающиеся линии, которые ограничат так называемую трубку тока (рис. 10).

Рис. 10. Трубка тока

Она замечательна тем, что ни одна частица жидкости или газа не проходит через нее наружу и не проникает снаружи в неё.

Это значит, что количество газа, прошедшее через сечение S 1равно количеству газа, прошедшего через сечение S 2за то же время, т. е. массовые расходы через эти сечения равны.

(30)

Или, подставив значения расходов по формуле (4), получим уравнение неразрывности потока

(31)

Для жидкостей

(32)

а это означает, что равны не только массовые, но и объемные расходы (31)

Обозначим через Е 1энергию газа в первом сечении, Е 2

– энергию во втором сечении, Е n– энергию потерь, то есть энергию, израсходованную, например, на внутреннее трение.

Тогда разность двух энергий будет равна энергии потерь

(33)

Энергия сжатого газа равна потенциальной энергии Е п, которая может высвободиться при его расширении, и кинетической энергии Е к, т. е.

(34)

Потенциальная энергия сжатого газа равна произведению его давления P на объем V

Е п= PV (35)

или

(36)

Кинетическая энергия равна

(37)

Энергия потерь выражается как потенциальная энергия столба газа высотой

(38)

Подставив значения энергий в уравнение (19), получим уравнение Бернулли, первое слагаемое которого характеризует динамическое давление, а второе – статическое.

(39)

Для жидкостей, плотность которых в различных сечениях одинакова, это уравнение после умножения обеих частей на ρ, может быть приведена к более простому виду:

(40)

Следствием этого закона является то, что сумма динамического и статического давлений в двух сечениях потока с точностью до потерь постоянна, и, например, при сужении потока, динамическое давление возрастает ровно настолько, насколько уменьшается статическое давление.

Сумма статического и динамического давления представляет собой полное давление

(41)

На рис. 11. представлен сужающийся трубопровод, в двух сечениях которого установлены трубки Пито, измеряющие полное давление, которое почти одинаково в обоих сечениях, хотя скорость W 2> W 1как это следует из уравнения неразрывности потока.

Рис. 11. Измерение полного давления при помощи трубки Пито

Динамическое давление во втором сечении больше, чем в первом, разница же полных давлений незначительна и равна давлению потерь. Это следует из уравнения Бернулли, так как ровно на столько же падает статическое давление.

Если вместо трубок Пито установить трубки Вентури, которые воспринимают только статическое давление, то мы увидим, что статическое давление в сечении 2 значительно меньше, чем в сечении 1. Определив значение статического давления по трубке Вентури, и вычтя его из полного давления определим динамическое давление в сечении 2 по формуле:

(42)

Графически соотношение представлено на рис. 10.

Рис. 12. Соотношение полного, динамического и статического давлений

Аналогичные явления происходят и в газах.

Эффект падения статического давления в струе широко используется в вакуумных преобразователях, например, для запитки вакуумных присосок.

Потери давления

Как мы уже установили, при движении жидкостей и газов возникают потери давления – Р пот.

Они являются следствием двух различных процессов – трения о стенки трубопроводов и завихрений потока.

Рис. 13. Схема определения потерь давления

Поскольку трубопровод неподвижен, то слой, непосредственно примыкающий к его стенке можно считать также неподвижным, следующий слой, расположенный ближе к центру,

перемещается относительно первого с некоторой скоростью, следующий движется с еще большей скоростью и так далее.

Максимальную относительно стенок скорость будет иметь центральный слой.

Если соединить концы векторов скорости плавной кривой, то мы получим годограф скорости (рис. 13), оказывающий распределение скоростей в потоке жидкости или газа.

Для ламинарного течения годограф представляет собой квадратичную параболу, параметры которой зависят от вязкости жидкостей. Если измерить давление по всей длине трубопровода,

то окажется, что давление движущейся жидкости или газа равномерно убывает, поэтому называются потерями по длине.