что такое напорный поток
Поток жидкости и его параметры
Поток жидкости — это часть неразрывно движущейся жидкости, ограниченная твердыми деформируемыми или недеформируемыми стенками, образующими русло потока. Потоки, имеющие свободную поверхность, называются безнапорными. Потоки, не имеющие свободной поверхности, называются напорными
Поток жидкости характеризуется такими параметрами как площадь живого сечения S, расход жидкости Q(G), средняя скорость движения v.
Живое сечение потока — это сечение, которое перпендикулярно в каждой точке скорости частиц потока жидкости.
Векторы скорости частиц имеют некоторое расхождение в потоке жидкости.
Живым сечением потока жидкости называется сечение, которое перпендикулярно в каждой точке скорости частиц потока жидкости.
Рис. Векторы скорости потока жидкости (а) и живое сечение потока (б)
Поэтому живое сечение потока — криволинейная плоскость (рис. а, линия I—I) В виду незначительного расхождения векторов скорости в гидродинамике за живое сечение принимается плоскость, расположенная перпендикулярно скорости движения жидкости в средней точке потока.
Расход жидкости — это количество жидкости, протекающей через живое сечение потока в единицу времени. Расход может определяться в массовых долях G и объемных Q.
Средняя скорость движения жидкости — это средняя скорость частиц в живом сечении потока.
Если в живом сечении потока, движущегося, например, в трубе, построить векторы скорости частиц и соединить концы этих векторов, то получится график изменения скоростей (эпюра скоростей).
Рис. Распределение скоростей движения жидкости в живом сечении трубы при течении: а — турбулентном; б — ламинарном
Если площадь такой эпюры разделить на диаметр данной трубы, то получится значение средней скорости движения жидкости в данном сечении:
Vcр = Sэ/d,
где Sэ — площадь эпюры местных скоростей; d — диаметр трубы
Объемный расход жидкости рассчитывается по формуле:
Q = Sэ*Мср,
где Q — площадь живого сечения потока.
Параметры потока жидкости определяют характер движения жидкости. При этом оно может быть установившимся и неустановившимся, равномерным и неравномерным, неразрывным и кавитационным, ламинарным и турбулентным.
Если параметры потока жидкости не изменяются во времени, то ее движение называется установившимся.
Равномерным называется движение, при котором параметры потока не изменяются по длине трубопровода или канала. Например, движение жидкости по трубе постоянного диаметра является равномерным.
Неразрывным называется движение жидкости, при котором она перемещается сплошным потоком, заполняющим весь объем трубопровода.
Отрыв потока от стенок трубопровода или от обтекаемого предмета приводит к возникновению кавитации.
Кавитацией называется образование в жидкости пустот, заполненных газом, паром или их смесью.
Кавитация возникает в результате местного уменьшения давления ниже критического значения pкр при данной температуре (для воды ркр= 101,3 кПа при Т= 373 К или ркр= 12,18 кПа при Т= 323 К и т. д.). При попадании таких пузырьков в зону, где давление выше критического, в эти пустоты устремляются частицы жидкости, что приводит к резкому возрастанию давления и температуры. Поэтому кавитация неблагоприятно отражается на работе гидротурбин, жидкостных насосов и других элементов гидравлических устройств.
Ламинарное движение — это упорядоченное движение жидкости без перемешивания между ее соседними слоями. При ламинарном течении скорость и силы инерции, как правило, невелики, а силы трения значительны. При увеличении скорости до некоторого порогового значения ламинарный режим течения переходит в турбулентный.
Турбулентное движение — это течение жидкости, при котором ее частицы совершают неустановившееся беспорядочное движение по сложным траекториям. При турбулентном течении скорость жидкости и ее давление в каждой точке потока хаотически изменяется, при этом происходит интенсивное перемешивание движущейся жидкости.
Для определения режима движения жидкости существуют условия, согласно которым скорость потока может быть больше или меньше той критической скорости, когда ламинарное движение переходит в турбулентное и наоборот.
Однако установлен и более универсальный критерий, который называют критерием или числом Рейнольдса:
Re = vd/V,
где Re — число Рейнольдса; v — средняя скорость потока; d — диаметр трубопровода; V — кинематическая вязкость жидкости.
Опытами было установлено, что в момент перехода ламинарного режима движения жидкости в турбулентный Re = 2320.
Число Рейнольдса, при котором ламинарный режим переходит в турбулентный, называется критическим. Следовательно, при Re 2320 — турбулентное. Отсюда критическая скорость для любой жидкости:
Напорное и безнапорное движение жидкости
По характеру движения жидкости потоки делят на напорные, безнапорные и
Напорный поток полностью ограничен со всех сторон твердыми стенками. Движение жидкости в таком потоке происходит под давлением (напорного резервуара или насоса). Примером может служить движение воды в водопроводе.
Безнапорный поток — это поток со свободной поверхностью, в которомром жидкость перемещается только под действием силы тяжести. Примером безнапорного потока может служить движение воды в реках, каналах.
Струи — это потоки, ограниченные со всех сторон жидкой или газообразной средой. В этом случае движение жидкости происходит по инерции под влиянием начальной скорости, созданной давлением или силой тяжести.
Расход и средняя скорость потока. Расход потока Q (м 3 /с) в данном сечении равен произведению площади живого сечения потока S на среднюю скорость в этом сечении Vcp:
Средняя скорость потока в данном сечении — воображаемая, фиктивная скорость потока, одинаковая для всех точек данного живого сечения, с которой через живое сечение проходил бы расход, равный фактическому. При неравномерном движении средняя скорость в различных живых сечениях по длине потока различна. При равномерном движении средняя скорость по типе потока постоянна во всех живых сечениях.
Нам важно ваше мнение! Был ли полезен опубликованный материал? Да | Нет
Гидравлические характеристики потока жидкости
Типы потоков жидкости
Совокупность элементарных струек жидкости представляет собой поток жидкости. Различают следующие типы потоков (или типы движений жидкости).
Безнапорные потоки (безнапорные движения) отличаются тем, что поток имеет свободную поверхность, находящуюся под атмосферным давлением. Безнапорное движение происходит под действием сил тяжести самого потока жидкости. Давление в таких потоках примерно одинаково и отличается от атмосферного только за счет глубины потока. Примером такого движения может быть течение воды в реке, канале, ручье.
Свободная струя не имеет твёрдых стенок. Движение происходит под действием сил инерции и веса жидкости. Давление в таком потоке практически равно атмосферному. Пример свободной струи – вытекание жидкости из шланга, крана и т.п.
В гидравлике различают следующие характеристики потока: живое сечение, смоченный периметр, гидравлический радиус, расход, средняя скорость.
Живым сечением потока называется поверхность (поперечное сечение), нормальная ко всем линиям тока, его пересекающим, и лежащая внутри потока жидкости. Площадь живого сечения обозначается буквой ω. Для элементарной струйки жидкости используют понятие живого сечения элементарной струйки (сечение струйки, перпендикулярное линиям тока), площадь которого обозначают через dω.
Смоченный периметр потока – линия, по которой жидкость соприкасается с поверхностями русла в данном живом сечении. Длина этой линии обозначается буквой c.
В напорных потоках смоченный периметр совпадает с геометрическим периметром, так как поток жидкости соприкасается со всеми твёрдыми стенками.
Гидравлическим радиусом R потока называется часто используемая в гидравлике величина, представляющая собой отношение площади живого сечения S к смоченному периметру c:
(64)
При напорном движении в трубе круглого сечения гидравлический радиус будет равен:
, (65)
т.е. четверти диаметра, или половине радиуса трубы.
Для безнапорного потока прямоугольного сечения с размерами 
гидравлический радиус можно вычислить по формуле
. (66)
Свободная поверхность жидкости при определении смоченного периметра не учитывается.
Расход потока жидкости (расход жидкости) – количество жидкости, протекающей в единицу времени через живое сечение потока.
Различают объёмный, массовый и весовой расходы жидкости.
Объёмный расход жидкости это объём жидкости, протекающей в единицу времени через живое сечение потока. Объёмный расход жидкости измеряется обычно в м 3 /с, дм 3 /с или л/с. Он вычисляется по формуле
, (67)
t – время течения жидкости.
Массовый расход жидкости это масса жидкости, протекающей в единицу времени через живое сечение потока. Массовый расход измеряется обычно в кг/с, г/с или т/с и определяется по формуле
(68)
t – время течения жидкости.
Весовой расход жидкости это вес жидкости, протекающей в единицу времени через живое сечение потока. Весовой расход измеряется обычно в Н/с, КН/с. Формула для его определения выглядит так:
(69)
t – время течения жидкости.
Чаще всего используется объёмный расход потока жидкости. С учётом того, что поток складывается из элементарных струек, то и расход потока складывается из расходов элементарных струек жидкости dQ.
Расход элементарной струйки – объем жидкости dV, проходящей через живое сечение струйки в единицу времени. Таким образом:
(70)
Если последнее выражение проинтегрировать по площади живого сечения потока можно получить формулу объёмного расхода жидкости, как сумму расходов элементарных струек
(71)
Применение этой формулы в расчетах весьма затруднительно, так как расходы элементарных струек жидкости в различных точках живого сечения потока различны. Поэтому в практике для определения расхода чаще пользуются понятием средней скорости потока.
Средняя скорость потока жидкости Vсрв данном сечении это не существующая в действительности скорость потока, одинаковая для всех точек данного живого сечения, с которой должна была бы двигаться жидкость, что бы её расход был равен фактическому.
Нам важно ваше мнение! Был ли полезен опубликованный материал? Да | Нет
Основы гидравлики
Фонтан по сути своей представляет собой некое гидросооружение, которое строится с одной единственной целью — формирование различных архитектурных форм из одного единственного материала — из воды. Все остальное в фонтане — вторично.
Так что же это такое — вода?
Вода — это физическое тело, определяемое как жидкость. Основное свойство воды — её текучесть и неспособность сохранять свою форму, вследствии неограниченной подвижности, составляющих её частиц. Это свойство позволяет воде принимать форму сосуда, в котором оно находится. Второе свойство воды — большое сопротивление сжатию (почти полная несжимаемость). Третье — малое сопротивление растягивающим и касательным усилиям.
Давление
Плотность
Плотность характеризует распределение массы жидкости «M» по её объему «V».
Плотностью однородной жидкости называется отношение массы жидкости к ее объему. ρ = M/V. В общем случае плотность зависит от давления и температуры, но так как в обычных условиях жидкость находится под атмосферным давлением и изменение температуры незначительно, то плотность жидкости может считаться практически постоянной, т.е. ρ = const.
Сжимаемость
Сжимаемостью жидкости называется ее свойство уменьшать свой объем под влиянием внешних сил. Жидкости характеризуются очень малой сжимаемостью, например, для пресной воды при температуре от 0 до 20°С и повышении давления на 25 ат. объем жидкости уменьшается на 1/21000 часть своей первоначальной величины. Следовательно, жидкость представляет собой физическое тело, не имеющее определённой формы, но обладающее неизменным объёмом, поэтому при решении большинства гидравлических задач сжимаемость жидкости не учитывается.
Температурное расширение
Жидкости, так же как твердые тела и газы, при изменении температуры изменяют свой объем и плотность. Вода наибольшей плотностью обладает при температуре t = 4ºC: = 1000 кг/м3. При охлаждении воды от 4 до 0ºС объем ее увеличивается и плотность принимает значение = 999,87 кг/м3. Образующийся из воды лед при температуре 0ºС имеет плотность = 918 кг/м3. При нагревании воды выше 4°С объем ее также увеличивается. Свойство жидкости изменять свой объем при изменении температуры оценивается коэффициентом температурного расширения βt.
Поток
Потоком называют движение массы жидкости, ограниченной системой поверхностей твердых тел (трубопровод, канал). Ниже приведены примеры распределения скоростей в осевой плоскости в сечениях трубы и в открытом канале:
Линия тока — кривая, в каждой точке которой вектор скорости в данный момент времени направлен по касательной к ней. Совокупность линий тока дает картину течения в данный момент времени, что используется для наглядного изображения особенностей потока:
Движение потока воды в трубе может быть равномерным (движение в трубе одинакового внутреннего диаметра) и неравномерным (уменьшение — увеличение внутреннего диаметра). При равномерном движении распределение основных параметров (скоростей, давления) по сечению трубы не изменяется вдоль потока.
Режимы движения жидкости.
Первый режим — ламинарное движение (lamina — слой), т.е. слоистое, упорядоченное движение, при котором отдельные слои жидкости скользят друг относительно друга, не смешиваясь между собой.
На практике ламинарный режим встречается:
Второй режим — турбулентное движение (turbulentus — вихревой), т.е. вихревое неупорядоченное движение при котором частицы жидкости движутся по сложной, всё время изменяющейся траектории а жидкость интенсивно перемешивается. Турбулентный режим наблюдается значительно чаще, чем ламинарный, а именно: при движении воды в реках, каналах и в трубах, а так в других случаях.
Переход от ламинарного движения к турбулентному происходит при определённой скорости, которая, однако, для разных жидкостей и для разных диаметров труб оказывается различной, возрастая с увеличением вязкости и уменьшаясь с уменьшением диаметра трубы.
Характеристику режима движения жидкости определяет число Рейнольдса.
На число Рейнольдса влияют, кроме всего прочего, условия входа, поверхности стенок, наличие начальных возмущений и т. д. Достаточно точными измерениями движения жидкости в круглых гладких трубах, на участках достаточно удалённых от выхода и при отсутствии возмущений установлено, что при величине числа Рейнольдса меньшим, чем 2320 единиц, режим движения будет устойчиво ламинарным. Для открытых русел критическое число Рейнольдса равно 580. При определенных условиях существование турбулентного режима может быть и при значительно меньших, чем 2320, числах Re. Так, например, в гибких шлангах объемного гидропривода турбулентный режим наступает при числах Рейнольдса около 1000, что объясняется пульсацией подачи и давлений объемных насосов, подвижностью гибких шлангов и некоторыми другими причинами.
Напорные и безнапорные потоки. Напорный поток возникает под действием давления, обычно больше атмосферного, сообщаемого каким-либо внешним источником (насосом). Безнапорным движением называется такое, при котором жидкость перемещается под действием силы тяжести; оно характеризуется наличием у потока свободной поверхности. Примерами безнапорного движения являются: течение воды в реках, каналах, канализационных трубах.
Смоченный периметр — линия соприкосновения жидкости со стенками потока в данном живом сечении.
Гидравлический радиус — отношение площади живого сечения к ее смоченному периметру.
Расход жидкости — объем, проходящей через поперечное сечение потока за единицу времен.
Скорость течения потока. При течении реальной (вязкой) жидкости скорости по сечению канала неодинаковы (на стенках они равны нулю). Поэтому в инженерных расчетах применяют среднюю скорость, которая определяется как отношение объемного расхода воды к её поперечному сечению. Следовательно, чем меньше площадь поперечного сечения, тем больше скорость. Отношение средних скоростей потока (U1 и U2) обратно пропорционально отношению квадратов их диаметров (D1 и D2). То есть, если диаметр поперечного сечения трубы увеличить в 2 раза, то скорость потока уменьшится в 4 раза.
Пример: Известно, что скорость потока воды в трубе 4 м/с, а диаметр трубы 32мм. Необходимо снизить скорость потока до 1 м/с. Трубу какого диаметра необходимо установить вместо трубы д.32мм?
Строго говоря, скорость или объёмный расход воды вычисляется только для ламинарного потока. Для турбулентного же движения, чисто теоретического решения не существует и все формулы и закономерности получены либо непосредственно из опыта либо имеют полуэмпирический характер.
Это объясняется исключительной сложностью структуры турбулентного потока, внутренний механизм которого до сих пор полностью не изучен. Если замерить в одной точке изменение скорости во времени высокочувствительным прибором – термогидрометром, то получим диаграмму в виде некоторой пульсации. Но осреднённое значение скорости за достаточно длительный промежуток времени останется постоянным.
Скорость движения воды в трубе измеряется по формуле:
Q — расход воды в кубических метрах за секунду;
D — диаметр трубы в метрах
Гидростатическое давление – это сила давления водного столба над определенным, условно обозначенным уровнем. Гидростатическое давление обусловлено действием силы тяжести. Основное уравнение гидростатики: полное давление P в любой точке покоящейся жидкости складывается из давления на ее свободной поверхности и давления ρgh, созданного за счет столба жидкости высотой h (Pизб.=P0 + ρgh, где ρ = 1000 кг/м3 ).
Пример: Из чаши фонтана в техническое помещение, расположенное под землей, проложена труба, на конце которой установлена задвижка. Низ трубы расположен на три метра ниже уровня воды в фонтане. Какое давление испытывает корпус задвижки?
Ризб.=Р0 + ρgh = 0 + 1000*9,8*3 = 29400 Па = 29,4 кПа = 0,29атм = 2,9 м.в.с.
Барометрическое (атмосферное) давление зависит от высоты места над уровнем моря и от состояния погоды. За нормальное барометрическое давление принимают 760 мм.рт.ст. На свободную поверхность водных потоков, а также естественных и искусственных водоемов действует барометрическое давление.
Абсолютное (полное) давление определяется по формуле Р=Р0 + ρgh.
«Всякое изменение давления в какой-либо точке покоящейся жидкости, не нарушающее ее равновесия, передается в остальные ее точки без изменения».
На использовании закона Паскаля основано устройство многих гидравлических машин, а так же фонтанов.
Напор и давление. Отношение давления (Р) к произведению ρg (ρ-плотность данной жидкости) имеет размерность длины и выражается в метрах. Равенство (Н=Р/ρg) устанавливает связь между давлением и некоторой длиной Н, которая называется напором. Переведем атмосферное давление в метры водяного столба:
1 атмосфера = 98 000 Па.
Н = 98 000/(1000*9,8) = 10м.в.с.
1 атмосфера = 10м.в.с.
Потеря напора — величина напора, затраченная на преодоление какого-либо местного сопротивления (сужение/расширение потока, поворот).
Диффузор — устройство плавного перехода от меньшего диаметра трубы к большему. Основное назначение диффузоров – постепенно уменьшать скорости потока и, следовательно, восстанавливать давление при наименьших потерях. В диффузоре движение потока значительно менее устойчиво, чем в цилиндрической трубе. В расширяющейся трубе переход ламинарного движения в турбулентное происходит при значительно меньших числах Рейнольдса, чем в цилиндрической. В диффузоре отрыв потока может произойти даже при малых углах расширения. Причина отрыва потока – наличие градиента давления по длине стенки. Вблизи стенки трубы, где скорости потока из-за вязкости и так очень малы, градиент давления ещё больше тормозит движение частиц жидкости. Это может привести к остановке жидкости в пограничном слое и даже вызвать движение в обратном направлении. При этом основной поток как бы оттесняется от стенки – происходит отрыв.
При углах расширения диффузора до 40 градусов отрыв происходит не по всей поверхности, а лишь на её некотором участке. При углах более 40 градусов поток жидкости полностью отрывается от всей поверхности диффузора. Отрыв значительно снижает эффективность диффузора и повышает потери в нём.
Диффузор характеризуется двумя параметрами: углом конусности и степенью расширения.
Конфузор — устройство плавного перехода от большего диаметра трубы к меньшему. Основное назначение конфузоров – уменьшение давления в трубе. При течении жидкости в конфузоре скорость вдоль трубы возрастает, а давление уменьшается. Так как жидкость движется от большего давления к меньшему, то в конфузоре отрыв практически отсутствует, и может существовать лишь на выходе из конфузора, в месте соединения конической трубы с цилиндрической. Поэтому сопротивление диффузора всегда больше, чем конфузора с теми же параметрами.
Дальность боя струи. Дальность боя струи зависит от формы и размера насадки, режима движения воды, угла наклона по отношению к горизонту и напора. Опытная формула Н.П. Гавырина даёт возможность рассчитать дальность боя гидромониторной струи.
Свободная гидравлическая струя — это поток жидкости, не ограниченный твёрдыми стенками. Структура гидравлических струй такова, что если в трубе, насадке или отверстии поток был ламинарным, то и покинув их он остаётся ламинарным, если был турбулентным, то и в дальнейшем остаётся турбулентным.
Если струя вытекает в среду с меньшей плотностью или в газовую среду, её называют незатопленной свободной струей.
Устройствами, формирующими свободные струи, чаще всего служат насадки. Тип насадка зависит от назначения струи. В дождевальных установках применяют конически расходящиеся насадки. В пожарных брандспойтах и гидромониторах – сходящиеся конические и коноидальные насадки.
Типы потоков жидкости
Совокупность элементарных струек жидкости представляет собой поток жидкости. Различают следующие типы потоков (или типы движений жидкости).
Б
езнапорные потоки (безнапорные движения) отличаются тем, что поток имеет свободную поверхность, находящуюся под атмосферным давлением. Безнапорное движение происходит под действием сил тяжести самого потока жидкости. Давление в таких потоках примерно одинаково и отличается от атмосферного только за счет глубины потока. Примером такого движения может быть течение воды в реке, канале, ручье.
С
вободная струяне имеет твёрдых стенок. Движение происходит под действием сил инерции и веса жидкости. Давление в таком потоке практически равно атмосферному. Пример свободной струи – вытекание жидкости из шланга, крана и т.п.
Гидравлические характеристики потока жидкости
В гидравлике различают следующие характеристики потока: живое сечение, смоченный периметр, гидравлический радиус, расход, средняя скорость.
Живым сечением потока называется поверхность (поперечное сечение), нормальная ко всем линиям тока, его пересекающим, и лежащая внутри потока жидкости. Площадь живого сечения обозначается буквой ω. Для элементарной струйки жидкости используют понятие живого сечения элементарной струйки (сечение струйки, перпендикулярное линиям тока), площадь которого обозначают через dω.
Смоченный периметр потока – линия, по которой жидкость соприкасается с поверхностями русла в данном живом сечении. Длина этой линии обозначается буквой .
В напорных потоках смоченный периметр совпадает с геометрическим периметром, так как поток жидкости соприкасается со всеми твёрдыми стенками.
Гидравлическим радиусом R потока называется часто используемая в гидравлике величина, представляющая собой отношение площади живого сечения S к смоченному периметру :
При напорном движении в трубе круглого сечения гидравлический радиус будет равен:
,
т.е. четверти диаметра, или половине радиуса трубы.
Для безнапорного потока прямоугольного сечения с размерами 
гидравлический радиус можно вычислить по формуле
.
Свободная поверхность жидкости при определении смоченного периметра не учитывается.
Расход потока жидкости (расход жидкости) – количество жидкости, протекающей в единицу времени через живое сечение потока.
Различают объёмный, массовый и весовой расходы жидкости.
Объёмный расход жидкости это объём жидкости, протекающей в единицу времени через живое сечение потока. Объёмный расход жидкости измеряется обычно в м 3 /с, дм 3 /с или л/с. Он вычисляется по формуле
,
t – время течения жидкости.
Массовый расход жидкости это масса жидкости, протекающей в единицу времени через живое сечение потока. Массовый расход измеряется обычно в кг/с, г/с или т/с и определяется по формуле
t – время течения жидкости.
Весовой расход жидкости это вес жидкости, протекающей в единицу времени через живое сечение потока. Весовой расход измеряется обычно в Н/с, КН/с. Формула для его определения выглядит так:
t – время течения жидкости.
Чаще всего используется объёмный расход потока жидкости. С учётом того, что поток складывается из элементарных струек, то и расход потока складывается из расходов элементарных струек жидкости dQ.
Расход элементарной струйки – объем жидкости dV, проходящей через живое сечение струйки в единицу времени. Таким образом:
Если последнее выражение проинтегрировать по площади живого сечения потока можно получить формулу объёмного расхода жидкости, как сумму расходов элементарных струек
Применение этой формулы в расчетах весьма затруднительно, так как расходы элементарных струек жидкости в различных точках живого сечения потока различны. Поэтому в практике для определения расхода чаще пользуются понятием средней скорости потока.
Средняя скорость потока жидкости Vср в данном сечении это не существующая в действительности скорость потока, одинаковая для всех точек данного живого сечения, с которой должна была бы двигаться жидкость, что бы её расход был равен фактическому.