- •Конспект лекцій
- •Технічна гідравліка
- •Вивід і аналіз диференційного рівняння статики рідини. Рівняння Ейлера
- •Аналіз системи рівнянь
- •Вивід основного рівняння гідростатики
- •Випадки практичного використання основного рівняння гідростатики Принцип дії з’єднаних посудин
- •Гідравлічний радіус і еквівалентний діаметр
- •Режими руху рідини
- •Гідростатичні машини
- •Б. Гідродинаміка
- •Основні характеристики рухомої рідини
- •Рівняння неперервності (суцільності) потоку
- •Диференційне рівняння руху рідини. Рівняння Ейлера для ідеальної рідини
- •Диференційні рівняння руху реальної рідини. Рівняння Нав’є – Стокса
- •Аналіз системи рівнянь
- •Вивід та аналіз рівняння Бернулі
- •Принципи вимірювання швидкості і видатку рідини
- •Гідродинамічний пограничний шар
- •Гідравлічний опір
- •Видаток рідини при встановленому (стаціонарному) потоці. Рівняння Пуазейля
- •Визначення оптимального діаметра трубопроводу
- •Аналіз рівняння
- •Теплові процеси
- •Теплопровідність
- •Закон теплопровідності (закон Фур’є)
- •Диференціальне рівняння теплопровідності
- •Умови однозначності
- •Теплопровідність при стаціонарному режимі Теплопровідність плоскої стінки при граничних умовах першого роду
- •Теплопровідність багатошарової плоскої стінки
- •Теплопровідність плоскої стінки при граничних умовах третього роду
- •Теплопровідність циліндричної стінки при граничних умовах першого роду
- •Теплопровідність циліндричної стінки при граничних умовах третього роду
- •Конвективний теплообмін
- •Порядок знаходження коефіцієнта тепловіддачі
- •Виведення та аналіз системи диференційних рівнянь конвективного теплообміну
- •Рівняння енергії
- •Рівняння руху рідини
- •Теорія подібності
- •Теореми і методи теорії подібності
- •Етапи вивчення процесів методом теорії подібності
- •Тепловіддача без зміни агрегатного стану
- •Тепловіддача при вільній конвекції в необмеженому просторі
- •Поверхова плівкова конденсація пари
- •Фактори конденсації
- •Теплове випромінювання
- •Взаємне випромінювання двох твердих тіл
- •Особливості теплового випромінювання газів
- •Складний теплообмін
- •Випарювання
- •Однокорпусні випарні установки
- •Матеріальний баланс однокорпусної випарної установки
- •Тепловий баланс однокорпусної випарної установки
- •Розрахунок поверхні випарного апарату
- •Температурні витрати і температура кипіння розчину
- •Багатокорпусні випарні установки (бву)
- •Оптимальна кількість корпусів
- •Основні параметри вологого повітря:
- •Діаграма вологого повітря
- •Процес нагрівання та охолодження на і-х діаграмі
- •Варіанти процесу сушіння Основний варіант сушіння (жорсткий)
- •Сушка з частковою рециркуляцією сушильного агенту
- •Сушіння з замкненою циркуляцією сушильного агенту
- •Кінетика процесу сушіння
- •Швидкість сушіння
- •Тривалість сушіння
- •Штучне охолодження
- •Термодинамічні основи отримання холоду
- •Методи штучного охолодження
- •Помірне охолодження
- •Парокомпресійні холодильні машини Цикли кхм
Гідродинамічний пограничний шар

Якщо рідина протікає по каналу (рис. 4.6) то в випадку ідеальної рідини профіль швидкостей буде відображений профілем 4(рідина рухається наче поршень).
Якщо ми маємо справу з реальною рідиною 3, то біля стінки труби виникає заторможений шар, обумовлений в’язкістю рідини, цей приграничний шар називається гідродинамічним шаром.
Рідина, яка контактує з твердою стінкою 1 не рухається, тобто нескінченно малий шар 2 біля стінки має нульову швидкість. Це твердження є частиною гіпотези прилипання.
Рис. 4.6. До пояснення гідро-динамічного приграничного шару.
Завжди біля стінки є ламінарний шар 2. Товщина цього шару залежить від режиму руху рідини. При ламінарному русі товщина цього шару завжди більша, при турбулентному – менша.
Коли рідина потрапляє в канал то на початку каналу створюється прилипший шар, товщина якого зростає на довжину до п’ятдесяти діаметрів каналу для ламінарного режиму, і до сорока діаметрів каналу для турбулентного режиму. Надалі ширина стабілізується і він залишається постійним.
Гідравлічний опір
Гідравлічний опір – це фактично втрати напору, тиску, або енергії по довжині трубопроводу. Виділяють два види гідравлічного опору:
Опір по довжині трубопроводу (опір тертя), який виникає при русі реальної рідини в прямих каналах одного і того ж еквівалентного діаметру.
Місцевий опір, який виникає при різкій зміні швидкості, як по величині, так і по напрямку (звуження, розширення, відгалуження, повороти і т.ін.).
Нехай рідина протікає по трубопроводу зміного перерізу (d1 і d2).
S1>S2; ω1< ω2.
За рахунок різкої зміни перерізу перетворення потенційної енергії в кінетичну і тоді втрати напору можна представити:
hз
= hт
+ hм
Δрз = Δрт + Δрм
Розглянемо ламінарний режим руху рідини в горизонтальному трубопроводі з постійним діаметром. Згідно рівняння Бернулі для горизонтального трубопроводу:


де
- втрачений
напір.
Видаток рідини при встановленому (стаціонарному) потоці. Рівняння Пуазейля
У випадку ламінарного руху в прямій круглій трубі всю рідину умовно можна розділити на ряд кільцевих шарів, вісь яких співпадає з віссю труби.
Внаслідок того, що рідина прилипає до стінки труби шари будуть рухатись з неоднаковими швидкостями. В центрі швидкість шарів буде більше, зменшуючись в напрямку стінок труби, щоб досягти свого нуля на стінці.
Виділимо
в потоці рідини циліндричний шар довжиною
і радіусом
. Рух шарів
відбувається за рахунок сил, що виникли
внаслідок різниці тисків
і
.
Рис. 5.1. До визначення розподілу швидкостей і видатків рідини при ламінарному русі.

Руху циліндра складає опір сила внутрішнього тертя:


знак
мінус в останній формулі вказує на те,
що швидкість зменшується при збільшенні
радіуса. Коли
то
.
Для встановленого стаціонарного руху

Розкривши дужки та скупувавши доданки отримаємо

По всьому об’ємі

Після інтегрування маємо


Максимальна
швидкість буде коли


Порівнюючи
і
можемо записати,
що

Рівняння (5.2) – це закон Стокса в математичній формі, який показує параболічний закон розподілу швидкості при ламінарному русі рідини.
Для
визначення видатку рідини розглянемо
кільцевий переріз з внутрішнім радіусом
і зовнішнім
. Площа такого
кільця буде
. Об’ємний
видаток через цей переріз складає:

Підставивши
замість швидкості вираз
, отримаємо:

Для визначення видатку через весь переріз візьмемо інтеграл:
*
враховуючи,
що

**
Рівняння (*) або (**) – є рівняння Пуазейля, по якому можна визначити об’ємний видаток при ламінарному русі рідини.
Співвідношення
між середньою і максимальною швидкостями
можна отримати, порівнюючи значення
із рівняння
і рівняння
(*):
і

звідки
Порівнюючи рівняння, знаходимо

При ламінарному русі середня швидкість буде дорівнювати половині максимальної. Параболічний закон залежності швидкості від радіуса може бути записаний:




де
- втрата
геометричного напору між двома перерізами.
Помножимо чисельник і знаменник
останнього рівняння на
, отримаємо:

Таким чином, при ламінарному русі по прямій круглій трубі

таким чином, втрачений на тертя напір виражається через швидкісний напір.
Величина, яка показує в скільки разів напір, втрачений на тертя відрізняється від швидкісного напору називається коефіцієнтом опору по довжині труби, або опором тертя.

відношення
- це коефіцієнт
тертя
. Тоді:

так
як
, то можемо
записати:

Таким чином, при ламінарному русі рідини втрати напору через тертя пропорційні швидкості рідини, тобто


Коефіцієнт
тертя для інших видів труб буде
відрізнятись. Наприклад для квадратної
труби
, для трубопроводу
типу труба в трубі
.
визначається
за емпіричними формулами.
Для
турбулентного режиму руху рідини
коефіцієнт тертя не може бути вирахуваний
теоретично, через слабкість структури
турбулентного потоку.
визначається
за емпіричними формулами, які є
узагальненням експериментальних даних.
Наприклад
(5.9)
тут
- відносна
шорсткість поверхні каналу.
При русі рідини по каналах, енергія потоку витрачається не тільки по довжині каналу, а й в місцях де відбувається різка зміна швидкості (зміна перерізу каналу, повороти, відгалуження і т.д.). Втрати напору в цих місцях називають місцевим опором і можуть бути виражені через швидкісний напір.



де
- коефіцієнт
місцевого опору. Він показує відношення
втрати опору в даному місцевому опорі
до швидкісного напору. Значення цього
коефіцієнта приводяться в довідниковій
літературі.
Таким чином, втрата напору знаходиться за рівнянням

Відповідно втрата тиску

де
- сума місцевих
опорів.
Величину
- називають
втратами потужності.
