Условия равновесия стационарного процесса.

ЛЕКЦИЯ 1.

Химическая технология – область технологии, которая изучает процессы изменения составов внутренней структуры вещества в ходе химического превращения.

Наука о методах и средствах массовой химической переработки сырья, предметах потребления и средства производства.

Типовые стадии химической технологии:

1. Подготовка сырья;

2. Химико-технологический процесс (ХТП);

3. Выделение целевого продукта;

4. Очистка выбросов.

Все типовые стадии могут быть осуществлены за счет типовых процессов.

1 группа типовых процессов – механические (1);

В результате механических процессов изменяется форма и размеры материалов без изменения химических свойств (дробление, сортировка, классификация);

2 группа типовых процессов – гидромеханические (гидростатика и гидромеханика), (3,4);

Расчет основан на законах гидростатики и гидромеханики. Они включают в себя: перемещение жидкости по трубопроводам и аппаратам, гидро- и пневмотранспорт твердых материалов, разделение неоднородных смесей в системах жидкость/твердое, газ/твердое, жидкость/жидкость.

3 группа типовых процессов – тепловые (1,2,3,4);

Процессы переноса тепла от одной среды к другой нагревание и охлаждение, испарение и конденсация, выпаривание, перегонка.

4 группа типовых процессов – массообменные (2,3,4);

Перенос вещества из одной фазы в другую: абсорбция, десорбция, адсорбция, ректификация, дистилляция, сушка

5 группа типовых процессов– химические (2);

Изменение химических свойств и внутреннего строения вещества.

Теоретические основы ПАХТ.

1.Математическое описание процесса (основано на законах сохранения).

Включает:

· Расчет материального баланса процесса (ЗСМ),

· Составление теплового баланса (ЗСЭ),

· Баланс сил,

· Статика и кинетика процесса.

2.Физико-химические основы

· Основы термодинамики,

· Основы гидродинамики и гидростатики,

· Основы теплопередачи,

· Основы массопередачи.

3. Принципы моделирования:

· Физическое моделирование,

· Математическое моделирование,

· Математическое подобие процесса в маленьком процессе и большом.

4.Теория размерности.

Применение основных физических законов к изучению физических процессов.

I. Материальный баланс (основан на законе сохранения масс)

Хсм – концентрация твердого вещества в смеси [кг/кг],

Хосв - концентрация твердого вещества в осветленной жидкости,

Хос - концентрация твердого вещества в осадке.

Gсм,Gосв,Gос –материальные потоки [кг/с].

Gос
Gосв
Gсм
1.Общий вид материального баланса:

Gc=Gocв+Gос

2.Баланс по компоненту (по твердому веществу):

GcXc=GосвХосв+GосХос

3. Баланс по жидкости:

Gc(1-Xc)=Gосв(1-Хосв)+Gос(1-Хос)

4.
Условия равновесия стационарного процесса. - student2.ru

II. Тепловой баланс.

Условия равновесия стационарного процесса. - student2.ru Кожухотрубчатый теплообменник.

1.Общий тепловой баланс:

Q1+Qп=Q2+Qk+Qпот

Прежде чем составлять тепловой баланс процесса составляют материальный баланс.

Q1=G1C1t1; Qп=DIп;
Q2=G2C2t2; Qk=Dkik, где D – количество пара,

I(i) - энтальпия
Все физические величины, сопутствующие расчету, могут быть взяты из справочной литературы.

ЛЕКЦИЯ 2.

ЛЕКЦИЯ 3.

Вязкость.

При движении реальных жидкостей или газов в них возникают силы внутреннего трения, которые оказывают сопротивление движению потока. Свойство жидкости или газа оказывать сопротивление усилиям, вызывающим относительное перемещение частиц, называется вязкость.

Материальный поток в виде жидкости или газа движется слоями:

Условия равновесия стационарного процесса. - student2.ru Условия равновесия стационарного процесса. - student2.ru

За счет разности скоростей движения слоев возникает касательная сила, которую нужно приложить , чтобы относительно сдвинуть эти слои.

Условия равновесия стационарного процесса. - student2.ru

Величина Т пропорциональна поверхности контакта слоев F и отношению приращения величины скорости к расстоянию между слоями.

μ – коэффициент пропорциональности – динамический коэффициент вязкости (динамическая вязкость).

Сила сопротивления сдвигу – напряжение внутреннего трения.

Условия равновесия стационарного процесса. - student2.ru

Напряжение внутреннего трения, возникающие между слоями жидкости, пропорционально градиенту скорости.

В системе единиц СГС вязкость измеряется в пуазах (П) или сантипуазах (сП). Единица динамической вязкости в системе СИ в Па·с. Пересчетная формула: 1 Па·с = 103 сП.

Динамическая вязкость – справочная величина.

Кинематическая вязкость n связана с динамической вязкостью соотношением:

Условия равновесия стационарного процесса. - student2.ru

В системе СГС единица кинематической вязкости 1 стокс (ст), в системе СИ 1 м2/с; пересчетная формула: 1 м2/с = 104 ст.

Вязкость зависит от температуры, причем, для капельных жидкостей повышение температуры приводит к снижению вязкости, для газов при повышении температуры вязкость возрастает.

Те жидкости, которые подчиняются закону Ньютона, называются ньютоновскими.

Вязкость газов на практике – вязкость смеси.

Условия равновесия стационарного процесса. - student2.ru ,

где m1 ,m2 … mn - вязкость компонентов смеси, Па·с;
mсм - вязкость смеси газов, Па·с;
М1 2…Мn , Мсм - молекулярная масса компонентов смеси и самой смеси, кг/кмоль;
у1 , у2 …уn - объемная или мольная доля компонентов;
Мсм - молекулярная масса смеси газов, г/моль.

Молекулярная масса смеси газов рассчитывается по формуле:

Условия равновесия стационарного процесса. - student2.ru

Вязкость газа при любой температуре находится по уравнению Сутерленда.

Условия равновесия стационарного процесса. - student2.ru ,

где m0 - вязкость при нормальных условиях (обычно берется из справочной литературы);
С - константа Сутерленда
T - абсолютная температура, К.  

Гидростатика.

Давление.

Жидкость оказывает давление на дно и стенки сосуда, в котором она находится, а также на поверхность погруженного в нее тела.

Условия равновесия стационарного процесса. - student2.ru Условия равновесия стационарного процесса. - student2.ru
Сила давления будет оказывать влияние по всем трем направлениям и направлена по нормали к площадке, на которую она действует. Давление в любой точке жидкости одинакого по всем направлениям (в противном случае происходило бы перемещение жидкости) и направлено по нормали к площадке, на которую оно действует.

В системе СИ давление измеряется в паскалях (Па).

1 Паскаль (Па) = 1 н/м2. В системе МКГСС давление измеряется в кгс/м2. Давление можно также выражать в метрах столба жидкости, что связано с методами измерения давления. Пересчетная формула:

Условия равновесия стационарного процесса. - student2.ru ,

где р - давление в паскалях, Па;
r - плотность жидкости, кг/м3;
g - ускорение свободного падения, м/с2;
Н - высота столба жидкости в метрах, м.

Разнообразные единицы давления и формулы для их пересчета приведены в литературе. Приведем наиболее важные расчетные соотношения:

1 атм (физическая) = 1,013 ·105 Па = 10 м вод.ст.=1,033 кгс/см2 = 760 мм рт.ст.

1 ат (техническая) = 9,81·104 Па = 10 м вод.ст. = 1кгс/см2 = 735 мм рт.ст.

1 мм вод.ст = 9,81 Па; 1 мм рт.ст = 133,3 Па.

1бар=105Па.

Наиболее часто давление измеряют дифференциальными манометрами, которые представляют собой U-образную стеклянную трубку, заполненную рабочей жидкостью (вода, спирт, ртуть). Один конец трубки находится внутри аппарата или устройства, а второй открытый конец связан с атмосферой. Рассмотрим две возможные ситуации.

В первом случае, когда столб жидкости в левом колене трубки ниже, чем в правом, в аппарате создается избыточное давление и именно его измеряет манометр. Разность уровней жидкости в левом и правом коленах соответствует разности:

Dр = (ратм + ризб) – ратм = ризб

Аппарат   ратм – рразр  
Аппарат   ратм + ризб  
Рат
Рат
Dр = ризб
Dр = рразр

Во втором случае столбик жидкости в левом колене выше, чем в правом, ратм выше, чем давление в аппарате. Тогда

Dр = ратм - (ратм - рразр) = рразр

Отсюда важный вывод: манометр никогда не показывает истинное (абсолютное) давление в аппарате, а показывает либо избыточное давление (то есть сверх атмосферного), либо разряжение (то есть недостающее до атмосферного давления).

Таким образом, для получения абсолютного давления в аппарате в первом случае к атмосферному добавляется избыточное давление, измеренное манометром, т.е.

рабс = ратм + ризб ,

а во втором случае

рабс = ратм – рразр.

Если в условиях задачи приводится избыточное давление, либо разряжение, значит для получения истинного абсолютного давления их необходимо пересчитать.

В гидростатике рассматривается равновесие жидкостей, находящихся в покое, при котором в жидкости отсутствует перемещение слоев относительно друг друга. В этом случае жидкости могут быть рассмотрены как идеальные.

Покой бывает: относительный и абсолютный.

Независимо от вида покоя на жидкость действуют сила давления и сила тяжести.

Зависимость между силами, действующими на жидкость, находящуюся в состоянии покоя, и определяющими условия равновесия жидкости, выражается дифференциальными уравнениями Эйлера.

Согласно основному принципу статики, сумма проекций на оси координат всех сил, действующих на элементарный объем жидкости, находящийся в равновесии, равно нулю. В противном случае происходило бы перемещение жидкости.

Ось z:
Условия равновесия стационарного процесса. - student2.ru

-gdm Аналогично записываем проекции сил по всем осям

Условия равновесия стационарного процесса. - student2.ru

Эти уравнения показывают, что давление в покоящейся жидкости изменяется только по вертикали, остальное одинаково в любой точке горизонтальной плоскости; изменение по оси X и Y равны нулю.

Для получения закона распределения давления во всем объеме покоящейся жидкости следует проинтегрировать данную систему уравнений, интегралом которой является основное уравнение гидростатики.

ЛЕКЦИЯ 4.

Давление на дно сосуда.

Условия равновесия стационарного процесса. - student2.ru . (*)

Поскольку величина Условия равновесия стационарного процесса. - student2.ru постоянна, то при изменении величины р0 на какую-либо величину, ровно настолько же изменится р1 в любой другой точке жидкости. Выражение (*) может быть представлено как давление на дне сосуда, т.е.

Условия равновесия стационарного процесса. - student2.ru , где: Н – высота жидкости в сосуде.

Из этого выражения видно, что давление на дне сосуда не зависит от его формы, а лишь от высоты столба жидкости над ним.

Закон Архимеда также вытекает из основного закона гидростатики и гласит: «на тело, погруженное в жидкость, действует направленная вверх сила, равная весу жидкости в погруженном объеме тела».

Техническое приложение основного закона гидростатики:

Сообщающиеся сосуды. Два сообщающихся сосуда заполнены жидкостями с различной плотностью r1 и r2 ( r1 > r2 ). Точка «а» лежит на границе раздела, которая находится в покое тогда, когда давление слева р1 равно давлению справа р2. Учитывая, что давление в обоих сосудах атмосферное, имеем:

paт
paт
r1
r2
а
h2
h1
Условия равновесия стационарного процесса. - student2.ru , или:

Условия равновесия стационарного процесса. - student2.ru , откуда: Условия равновесия стационарного процесса. - student2.ru .

Таким образом, в сообщающихся сосудах высота столба различных жидкостей обратно пропорциональна их плотности.

d1
d2
P
поршни
Гидравлический пресс. Давление, создаваемое левым поршнем, передается на правый поршень и, таким образом, на прессуемое тело. Здесь d1 и d2 – диаметры левого и правого поршня соответственно, р – гидроста-тическое давление.

Условия равновесия стационарного процесса. - student2.ru

Сила давления на левый поршень,

а сила давления на правый поршень

Условия равновесия стационарного процесса. - student2.ru .

Поскольку d2 > d1 , p2 >p1, то есть сила давления возрастает пропорционально площади сечения поршня. При этом не нужно забывать, что согласно золотому правилу механики мы выигрываем в силе (p2 >p1), но проигрываем в расстоянии, то есть правый поршень перемещается на меньшее расстояние, чем левый.

Дымовая труба является обязательным элементом тепловых установок: печей, котлов, сушилок и т.д. Воздух входит в тепловой агрегат за счет естественной тяги и выбрасывается как отработанный газ через дымовую трубу. Рассмотрим давление в точках «а» и «б».

Р0
Р0
печь
Газ
Воздух
h
Условия равновесия стационарного процесса. - student2.ru ;

Условия равновесия стационарного процесса. - student2.ru ,

где: р0 – атмосферное давление;

а
б
rг , rв – плотность газа и воздуха, соответственно.

Движущая сила, обусловленная разностью плотностей воздуха и газа Dр = рб – рв = h ·g ·(rв - rг). Таким образом, в дымовой трубе имеет место не «тяга», а передавливание горячего газа в трубе столбом холодного воздуха.

Сифон используется для перемещения жидкости с верхнего уровня на нижний без использования насоса, т.е. самотеком.

Рассмотрим давление, действующее на точку «а» слева и справа. Обозначим через h1 и h2 расстояния от точки «а» до уровней жидкости в нижней и верхней емкостях.

h1
h2
P0
P0
а
Условия равновесия стационарного процесса. - student2.ru

Условия равновесия стационарного процесса. - student2.ru .

Отметим, что знак минус обусловлен тем, что столбики жидкости в правом и левом колене стеклянной трубки находятся не над точкой «а», а под ней.

Движущая сила Dр = рсл – рспр = r ·g ·(h2 – h1).

Таким образом, благодаря разности столбов жидкости (h2 – h1) жидкость самопроизвольно перетекает из верхней емкости в нижнюю.

ГИДРОДИНАМИКА.

Изучает движение жидкости и газа.

Внутренняя задача гидродинамики связана с анализом движения жидкости и газа внутри труб и каналов.

Внешняя задача связана с изучением закономерностей обтекания жидкостью или газом различных тел.

Движущей силой при течении жидкости является разность давлений.

При перемещении жидкости разность давлений создается насосами.

Основные характеристики движения жидкости.

1. Скорость и расход.

· Количество жидкости, протекающей через поперечное сечение потока в единицу времени, называется расходом.

Различают объемный [м3/с] и массовый [кг/с] расход.

По сечению трубопровода скорость движения не одинакова.

· Средняя скорость движения потока жидкости – отношение объемного расхода жидкости к площади поперечного сечения.

Условия равновесия стационарного процесса. - student2.ru

Условия равновесия стационарного процесса. - student2.ru

Условия равновесия стационарного процесса. - student2.ru

· Эквивалентный диаметр трубопровода.

При движении жидкости в трубах некруглого сечения используют величину эквивалентного диаметра (dэкв)

dэкв – диаметр гипотетического круглого сечения, у которого отношение площади поперечного сечения к смоченному периметру такое же как и трубопровода некруглого сечения.

Условия равновесия стационарного процесса. - student2.ru

Условия равновесия стационарного процесса. - student2.ru
Условия равновесия стационарного процесса. - student2.ru

· Установившийся поток.

Движение жидкости в трубопроводе является установившемся или стационарным, если скорость частиц жидкости и другие параметры (плотность, температура, давление) не изменяются во времени для каждого сечения потока

Условия равновесия стационарного процесса. - student2.ru

Нестационарный поток.

Все величины зависят не только от координат, но и от времени.

Условия равновесия стационарного процесса. - student2.ru

Условия равновесия стационарного процесса. - student2.ru

Установившиеся условия движения жидкости характерны для непрерывных процессов.

Неустановившееся движение – для периодических процессов, а также возникает кратковременно в периоды пуска и остановки непрерывных процессов.

· Режимы движения жидкости.

Условия равновесия стационарного процесса. - student2.ru Ламинарный режим наблюдается при малых скоростях или высокой вязкости жидкости. При этом жидкость движется параллельными слоями, не смешивающимися друг с другом.

Условия равновесия стационарного процесса. - student2.ru

h2>>h1

Турбулентный режим – течение жидкости характеризуется вихревым движением потока, в котором присутствуют пульсации и завихрения. Создание турбулентного режима требует больших затрат энергии по сравнению с ламинарным.

Опыты Рейнольдса показали, что переход от ламинарного движения к турбулентному тем легче, чем выше массовая скорость жидкости и длина трубы и чем меньше динамическая вязкость жидкости.

Критерий Рейнольдса:
Условия равновесия стационарного процесса. - student2.ru

Величина критерия Рейнольдса определяет режим движения жидкости.

Условия равновесия стационарного процесса. - student2.ru

Ламинарный режим ωср=0,5ωmax

Условия равновесия стационарного процесса. - student2.ru

Условия равновесия стационарного процесса. - student2.ru

Условия равновесия стационарного процесса. - student2.ru Турбулентный режим ωср=(0,7÷0,9)ωmax

ЛЕКЦИЯ 5

Режим движения жидкости по трубопроводам оказывает первостепенное влияние на процессы тепло- и массопереноса. Необходима высокая турбулизация потока. Независимо от развитости турбулентного режима у стенки трубы турбулентное движение всегда сопровождается ламинарным. И это определяет сопротивления движению жидкости за счет наличия сил трения.

Уравнение неразрывности потока.

Устанавливает общую зависимость между скоростями в потоке жидкости, для которого соблюдается условие сглаженности (неразрывности) движения.

Условия равновесия стационарного процесса. - student2.ru

Рассмотрим движение жидкости по трем направлениям.

ОХ: Mx=ρωxdydzdτ

Mx – количество вещества, зашедшее от х за единицу времени.

Условия равновесия стационарного процесса. - student2.ru

Условия равновесия стационарного процесса. - student2.ru

OY:
Условия равновесия стационарного процесса. - student2.ru


Условия равновесия стационарного процесса. - student2.ru

Общее накопление массы вещества в единице объема составит:

Условия равновесия стационарного процесса. - student2.ru

В соответствии с законом сохранения массы сумма накоплений в единице объема dV должна быть равна убыли массы в этом объеме за время dτ, т.е.

Условия равновесия стационарного процесса. - student2.ru

Условия равновесия стационарного процесса. - student2.ru

Полученное выражение представляет собой дифференциальное уравнение неразрывности потока для неустановившегося режима движения.

Условия равновесия стационарного процесса. - student2.ru

Уравнение неразрывности выражает закон сохранения массы для неустановившегося и установившегося режима движения.

Представим систему: труба, по которой движется материальный поток (установившийся режим).

Условия равновесия стационарного процесса. - student2.ru

В случае одномерного движения вдоль оси X: Условия равновесия стационарного процесса. - student2.ru После умножения на сечение трубопровода F имеем: Условия равновесия стационарного процесса. - student2.ru Тогда:

w ·F =V = const.

Полученное выражение является уравнением расхода, показывающим, что при движении несжимаемой жидкости объемный расход жидкости (V) остается постоянным в любом сечении трубопровода.

Условия равновесия стационарного процесса. - student2.ru Тогда для двух произвольных сечений трубопровода 1 и 2 имеем: w1F1=w2F2 , а Условия равновесия стационарного процесса. - student2.ru , то есть скорость жидкости в трубопроводе изменяется обратно пропорционально сечению. Когда площадь сечения возрастает, скорость падает, и наоборот.

Полученные уравнения позволяют при заданном режиме движения жидкости рассчитать площадь поперечного сечения

Условия равновесия стационарного процесса. - student2.ru

Дифференциальные уравнения Эйлера.

Рассмотрим установившийся поток идеальной жидкости, движущийся через элементарный объем dV=dxdydz

Условия равновесия стационарного процесса. - student2.ru Рассмотрим проекции всех действующих сил на соответствующие оси (смотреть уравнение Эйлера для покоящейся жидкости).

Условия равновесия стационарного процесса. - student2.ru

Условия равновесия стационарного процесса. - student2.ru

Условия равновесия стационарного процесса. - student2.ru

Согласно основному принципу динамики, сумма проекций сил, действующих на движущийся элементарный объем жидкости по трем направлениям, равна произведению массы жидкости на ее ускорение по соответствующим осям.

В итоге:

Условия равновесия стационарного процесса. - student2.ru

Полученная система уравнений представляет собой дифференциальные уравнения идеальной жидкости для установившегося режима.

ДУ Навье-Стокса.

Описывают движение реальной вязкой жидкости, в которой помимо сил давления и тяжести действуют и силы трения.

Условия равновесия стационарного процесса. - student2.ru

Условия равновесия стационарного процесса. - student2.ru При наличии сил трения имеет место касательная сила и касательное напряжение τ (движение внутреннего трения).

Условия равновесия стационарного процесса. - student2.ru

Условия равновесия стационарного процесса. - student2.ru При учете наличия всех сил ДУ Навье-Стокса выглядит следующим образом:

Условия равновесия стационарного процесса. - student2.ru

Условия равновесия стационарного процесса. - student2.ru

Условия равновесия стационарного процесса. - student2.ru

Уравнение Бернулли.

Решение уравнений Эйлера называется уравнением Бернулли.

Условия равновесия стационарного процесса. - student2.ru

Разделим правую и левую части на ρ и соответственно умножим на dx, dy, dz.

Условия равновесия стационарного процесса. - student2.ru

Складываем правую и левую части с учетом Условия равновесия стационарного процесса. - student2.ru

Условия равновесия стационарного процесса. - student2.ru

Условия равновесия стационарного процесса. - student2.ru

Разделим обе части на g

Условия равновесия стационарного процесса. - student2.ru

Условия равновесия стационарного процесса. - student2.ru

z – геометрический напор;

Условия равновесия стационарного процесса. - student2.ru

Условия равновесия стационарного процесса. - student2.ru

Согласно уравнению Бернулли, сумма статистического и динамического напоров при установившемся движении идеальной жидкости является постоянной, т.е., если по каким-либо причинам изменяется один из напоров, то на ту же величину в сумме изменятся и остальные.

ЛЕКЦИЯ 6.

Условия равновесия стационарного процесса. - student2.ru

Уравнение Бернулли является частным случаем закона сохранения энергии и выражает энергетический баланс материального потока для идеальных жидкостей.

Для реальных жидкостей, при их движении по трубопроводу, начинают действовать силы внутреннего трения, обусловленные

· Вязкостью жидкости;

· Режимом движения;

· Силами трения о стенки трубы.

Эти силы оказывают сопротивление движению жидкости – гидравлическое сопротивление. На его преодоление должна расходоваться некоторая часть энергии потока. Поэтому общее количество энергии потока, т.е. сумма потенциальной и кинетической, по длине трубопровода будет снижаться.

Условия равновесия стационарного процесса. - student2.ru (Епот+Ек)1=(Епот+Ек)2+Еп

Еп – потерянная энергия.

Условия равновесия стационарного процесса. - student2.ru

Условия равновесия стационарного процесса. - student2.ru

hпот представляет собой удельную энергию, расходуемую на преодоление гидравлического сопротивления при движении реальной жидкости.

Условия равновесия стационарного процесса. - student2.ru

Практические приложения уравнения Бернулли.

1. Определение расхода

V=ωF

ω1F12F2

Чтобы найти объемный расход жидкости, необходимо знать скорость и площадь поперечного сечения.

Принципы измерения скорости и расхода жидкости:

· Пневматические трубки (трубка Пито);

· Дроссельные приборы, включающие в себя диафрагму и трубу Вентури.

В трубке Пито-Прандляиспользуется другой принцип измерения. В центре трубопровода помещают две трубки, а и б, соединенные с дифманометром. Размещение трубок в трубопроводе таково, что трубка «а» измеряет статический напор рст , а трубка «б» - суммарно статический и скоростной напоры рст + рск , то есть полный напор.

w
rм
Трубка Пито-Прандля
а
б
Следовательно, разность уровней в манометре соответствует величине скоростного напора.

Условия равновесия стационарного процесса. - student2.ru .

Отсюда можно выразить максимальную скорость по оси трубопровода:

Условия равновесия стационарного процесса. - student2.ru м/с.

Зная отношение средней по сечению скорости к максимальной по оси находим среднюю скорость: Условия равновесия стационарного процесса. - student2.ru , м/с, а затем объемный расход: Условия равновесия стационарного процесса. - student2.ru , м3/с.

Dp
d1; w1
rср d2; w2
rм
Измерительная диафрагма
Измерительная диафрагмапредставляет собой перегородку в трубопроводе с центральным круглым отверстием. Протекая через отверстие диафрагмы, среда увеличивает свою скорость с w1 до w2 . При этом часть статического напора затрачивается на увеличение кинетической энергии по уравнению Бернулли.

Величину Dр можно замерить дифференциальным манометром. Этот манометр измеряет перепад давления Н, который является напором для истечения газа (жидкости) через отверстие диафрагмы. Запишем уравнение Бернулли:

Условия равновесия стационарного процесса. - student2.ru .

Скорость истечения через отверстие:

Условия равновесия стационарного процесса. - student2.ru , м/с ,

где rм и rср - плотность жидкости в манометре и плотность среды соответственно, кг/м3;

a - коэффициент расхода.

Н - разность уровней жидкости в дифманометре, м.

Объемный расход воздуха:

Условия равновесия стационарного процесса. - student2.ru , м/с, где Условия равновесия стационарного процесса. - student2.ru - сечение отверстия в диафрагме, м2.

Скорость среды в трубопроводе:

Условия равновесия стационарного процесса. - student2.ru , м/с, где Условия равновесия стационарного процесса. - student2.ru - сечение трубопровода, м2.

Истечение жидкостей и газов через отверстия также, как и работа насосов, подчиняется уравнению Бернулли. Из открытого бака происходит истечение жидкости через отверстие в днище диаметром d0. Высота уровня жидкости в баке Н; этот уровень поддерживается постоянным. Скорость перемещения жидкости в баке и в отверстии соответственно w1 и w0 . Запишем уравнение Бернулли в точке «а» и в точке «в» (Р0 – атмосферное давление):

плоскость сравнения
р0
w0
w1
z1
z2
H
р0
d0
Восполнение
Условия равновесия стационарного процесса. - student2.ru ;отсюда:

а
Условия равновесия стационарного процесса. - student2.ru .

в
Поскольку скорость перемещения жидкости в баке можно принять равной нулю (уровень жидкости постоянный), то Условия равновесия стационарного процесса. - student2.ru Откуда скорость истечения из отверстия:

Условия равновесия стационарного процесса. - student2.ru ,м/с .

Н – высота жидкости в баке, а в более общем случае – напор истечения. Если бак закрытый и давление в нем р отличается от атмосферного, то в выражении вместо величины Н подставляют величину Условия равновесия стационарного процесса. - student2.ru :

Условия равновесия стационарного процесса. - student2.ru , м .

Если в баке избыточное давление, то величина р – р0 = ризб , то есть Условия равновесия стационарного процесса. - student2.ru . Это означает, что скорость истечения возрастает. Если в баке разряжение, то величина (р – р0) – отрицательная т.к. р < р0 , то есть Условия равновесия стационарного процесса. - student2.ru . Это означает, что скорость истечения снизится по сравнению с открытым баком, либо жидкость вообще не потечет ( Условия равновесия стационарного процесса. - student2.ru ).

Скорость истечения с учетом местных сопротивлений при выходе жидкости из отверстия

Условия равновесия стационарного процесса. - student2.ru , м/с.

ЛЕКЦИЯ 7.

ЛЕКЦИЯ 8.

Подобными называются явления, для которых постоянны отношения характеризующих их сходственных величин.

Необходимые условия подобия:

· Геометрическое подобие, т.е. подобие сходственных геометрических величин.

· Временное подобие.

· Подобие полей физических величин, т.е. в сходных точках пространства физические величины подобны.

· Подобие начальных и граничных условий.

Достаточные условия:

Процессы, происходящие в модели и в натуре, должны описываться одинаковыми дифференциальными уравнениями.

Основные понятия теории подобия.

Условия равновесия стационарного процесса. - student2.ru

Условия равновесия стационарного процесса. - student2.ru

Кl изменяется при изменении масштаба.

Условия равновесия стационарного процесса. - student2.ru

i – представляет собой выражение величины в относительных единицах.

Инвариант, выраженный отношением двух подобных величин, называется симплексом.

Если инвариант выражен отношениями разнородных величин, но является безразмерным, то такой инвариант называется критерием подобия.

· Геометрическое подобие соблюдается при равенстве всех сходных линейных размеров

Условия равновесия стационарного процесса. - student2.ru
Условия равновесия стационарного процесса. - student2.ru

Условия равновесия стационарного процесса. - student2.ru

1 аппарат 2 аппарат
Загрузка τ1' τ1''
Перемешивание τ2' τ2''
Нагрев τ3' τ3''
Выгрузка τ4' τ4''

· Временное подобие

Условия равновесия стационарного процесса. - student2.ru

Условия равновесия стационарного процесса. - student2.ru

При соблюдении геометрического и временного подобия будет соблюдаться и подобие скоростей

Условия равновесия стационарного процесса. - student2.ru

т.е. можно заменить отношение одноименных величин отношениями их приращений.

· Подобие полей физических величин.

Оно предполагает, что для двух любых сходных точек натуры и модели, размещенных подобно в пространстве и времени, отношение физических свойств является величиной постоянной.

· Подобие начальных и граничных условий предполагает, что отношение основных параметров в начале и на границе в модели и в натуре является величиной постоянной, т.е. для начальных и граничных условий, а также для других сходных точек пространства, соблюдается геометрическое, временное и физическое подобие.

Теоремы подобия.

1. Подобными являются явления, характеризующиеся численно равными критериями подобия.

m' m''
ω' ω''
τ' τ''
G' G''

Эти величины взаимодействуют по закону:

Условия равновесия стационарного процесса. - student2.ru

Запишем константы подобия:
Условия равновесия стационарного процесса. - student2.ru

Условия равновесия стационарного процесса. - student2.ru

Если индикатор подобия равен 1, то явления подобны.

Условия равновесия стационарного процесса. - student2.ru

Вывод:эта теорема подобия была сформулирована Ньютоном и согласно ей, при подобии систем всегда могут быть найдены такие комплексные величины, которые для сходств точек одинаковы. Первая точка подобия, показывает, какие величины следует измерять при проведении опытов, а именно те величины, которые входят в критерии подобия.

2. Решение любого дифференциального уравнения связывающего между собой. Переменные, влияющие на процесс, могут быть предоставлены в виде зависимости между критериями подобия.

П1, П2, П3…….. П1=f(П23…)

Если процесс описывает несколько критериев подобия П1, П2, П3, … такая зависимость называется критериальным уравнением; причем, П1 – определяемый критерий, П2, П3, - определяющий критерий. П1 – это такой критерий, в который входят величины, не являющиеся необходимыми для однозначной характеристики процесса. Такие критерии сами зависят от определяющих критериев, в состав которых входят условия однозначности, то есть замеряемые величины.

Для гидродинамических процессов нужно найти ∆р – эта величина будет входить в П1. Замеряемые величины (вязкость, плотность, диаметр и т.д.) – П23

Вывод: Вторая теорема подобия показывает, как обрабатывать результаты опытов, проводимых на моделях. Их нужно представлять

Наши рекомендации