Druckverlust und hydraulischer Widerstand
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Berechnung von Druckverlusten und hydraulischen Widerständen
Der Energieverlust bei der Strömung einer Flüssigkeit hängt mit der Viskosität der Flüssigkeit zusammen, aber die Viskosität selbst ist nicht der einzige Faktor, der den Druckverlust bestimmt. Man kann aber argumentieren, dass die Größe des Druckverlustes fast immer proportional zum Quadrat der durchschnittlichen Geschwindigkeit des Fluids ist.
Diese Annahme wird durch die Ergebnisse der meisten experimentellen Arbeiten und speziell inszenierten Experimente bestätigt. Aus diesem Grund werden die Druckverluste in der Regel in Abhängigkeit von der Geschwindigkeitsbelastung (spezifische kinetische Energie der Strömung) berechnet. Dann :
Natürlich verhindern die festen Wände, dass die Flüssigkeit frei zirkulieren kann. Daher treten bei der Relativbewegung von flüssigen und festen Oberflächen unweigerlich hydraulische Widerstände auf. Ein Teil der Strömungsenergie wird aufgewendet, um die daraus resultierenden Widerstände zu überwinden.
Dieser Energieverlust wird als hydraulischer Energieverlust oder Druckverlust. Hydraulische Verluste werden hauptsächlich mit der Überschreitung der Reibungskräfte in der Strömung in Verbindung gebracht und hängen von einer Reihe von Faktoren ab, die wichtigsten davon sind :
- Die geometrische Form des Rohrs
- Die Geschwindigkeit der Flüssigkeit
- Die Rauheit der festen Wände des Flusses
- Die Art des Abflusses
- Die Viskosität der Flüssigkeit
- Einige weitere Betriebseigenschaften der Flüssigkeit
Lie hydraulischen Verluste sind praktisch gleich Null. unabhängig vom Druck. in der Flüssigkeit.
Wenn wir ein Rohr mit zwei Abschnitten betrachten. 1 und 2 mit der gleichen Fläche а Querschnitte, ist die Differenz der Nivellierungshöhe Z1 und Z2kann der Verlust an spezifischer Energie als folgende Formel betrachtet werden
Experimente zeigen, dass in vielen Fällen die Energieverluste direkt proportional zum Quadrat des Flüssigkeitsdurchflusses sind, sodass es in der Hydraulik üblich ist, die verlorene Energie in Bruchteilen der kinetischen Energie auszudrücken, die dem Einheitsgewicht der Flüssigkeit zugeschrieben wird.
Dabei ist Ɛ̧ der Reibungskoeffizient.
So kann der Widerstandskoeffizient als das Verhältnis der verlorenen Höhe zur Geschwindigkeitshöhe definiert werden.
Singuläre Druckverluste auf lokale hydraulische Widerstände
Singuläre hydraulische Festigkeit
Lokale hydraulische Widerstände sind alle Abschnitte des hydraulischen Systems, in denen es Kurven, Hindernisse, eine Ausdehnung oder Verengung gibt, die eine plötzliche Änderung des Strömungsprofils bewirken. Beispiele für lokale Widerstände können Krümmungen der Rohrleitungsachse, Änderungen der Durchlassquerschnitte aller hydraulischen Geräte, Rohrverbindungen usw. sein.
Plötzliche Aufweitung eines Rohres :
Die plötzliche Ausdehnung des Kanals kann oft an der Verbindung von Pipelineabschnitten beobachtet werden. Der Wert des Druckverlustkoeffizienten wird auf theoretischer Ebene mit ausreichender Genauigkeit bestimmt.
Der Flüssigkeitsstrom, der in einem Rohr mit kleinerem Durchmesser d zirkuliert und in ein Rohr mit größerem Durchmesser fällt, trifft nicht sofort auf die Wände des neuen Abschnitts des Rohrs, sondern erst in einem Querschnitt von 2-2′.
In dem Bereich zwischen den Abschnitten 1 – G und 2-2′ wird ein Bereich gebildet, in dem die Flüssigkeit praktisch nicht an der Bewegung durch die Rohre teilnimmt und eine lokale Wirbelströmung bildet, in der sie einer Verformung unterzogen wird. Aus diesem Grund wird ein Teil der kinetischen Energie der sich bewegenden Flüssigkeit aufgewendet, um das „parasitäre“ Schmelzen und Verformen der Flüssigkeit aufrechtzuerhalten. Die Werte der durchschnittlichen Flüssigkeitsgeschwindigkeiten in den Abschnitten können aus der Kontinuitätsbedingung ermittelt werden.
So kann man sagen, dass der Höhenverlust bei einer plötzlichen Ausdehnung der Strömung gleich der Geschwindigkeitshöhe ist, die der verlorenen Geschwindigkeit entspricht.
Sanfte Expansion eines Rohres (Diffusor) :
Die sanfte Ausdehnung des Rohrs wird Diffusor genannt. Die Strömung des Fluids im Diffusor ist komplex. Da sich der lebende Querschnitt der Strömung allmählich vergrößert, nimmt die Geschwindigkeit des Fluids entsprechend ab und der Druck steigt.
Plötzliche Verengung eines Rohres :
Mit einer plötzlichen Verengung des Kanals löst sich der Flüssigkeitsstrom von den Wänden.
In diesem Strömungsgebiet bilden sich zwei Zonen mit intensiver Wirbelbildung (sowohl in einem breiten als auch in einem schmalen Abschnitt des Rohrs), was wie im vorherigen Fall zum Auftreten von Druckverlusten führt. Diese setzen sich aus zwei Komponenten zusammen (Reibungsverluste und Schrumpfungsverluste).
Sanfte Verengung einer Fahrbahn
Die sanfte Verengung des Kanals wird mithilfe eines kegelförmigen Abschnitts erreicht, der Konfusor genannt wird. Die Kopfverluste im Konfusor entstehen fast aufgrund von Reibung, da die Wirbelbildung im Konfusor praktisch ausbleibt. Der Koeffizient des Druckverlustes im Konfusor kann durch die Formel bestimmt werden:
Für einen großen Kegelwinkel > 50° kann der Druckverlustkoeffizient bestimmt werden, indem man in die Formel einen Korrekturfaktor km einführt.
Normaler Schlaucheingang
Ausgehend von den Tanks, in denen die Flüssigkeiten gelagert werden, erfolgt der Eintritt in die Entlastungspipeline in der sogenannten Normalversion, d. h. wenn die Achse des Abzweigrohrs der Pipeline normal an der Seitenwand des Tanks liegt. Diese Art von hydraulischem Widerstand kann auch den Widerständen zugeschrieben werden, die mit der Änderung der Kanalgröße verbunden sind. Die Abmessungen des neuen Kanals sind im Vergleich zu den Abmessungen des ursprünglichen Kanals mit dem Querschnitt des Reservoirs infinitesimal klein.
In diesem Fall füllt innerhalb des Jet-Bypass-Rohrs die aus dem Tank fließende Flüssigkeit den gesamten Rohrquerschnitt nicht sofort, sondern erst in einiger Entfernung vom Einlass. In der stagnierenden Zone führt ein Teil der Flüssigkeit eine Rotationsbewegung aus und der dadurch entstehende Wirbel erzeugt zusätzliche g.
Das Druckabfallverhältnis beträgt etwa die Hälfte der Geschwindigkeitshöhe: Ɛ̧ = 0,5
Schlauchaustritt in eine ruhende Flüssigkeit
Es handelt sich um ein gemeinsames Element für die Verbindung des Druckteils der Pipeline mit dem Reservoir. Das Einlassrohr der Pipeline befindet sich normalerweise an der Seitenwand des Tanks. Diese Art von hydraulischem Widerstand kann auch als eine Art plötzliche Ausdehnung des Flüssigkeitsstroms auf einen unendlich großen Querschnitt betrachtet werden. Der Wert des Druckabfallkoeffizienten wird in den meisten Fällen als gleich einer Geschwindigkeitshöhe angesehen.
Rechteckiger 90°-Winkel
Unter einem solchen hydraulischen Widerstand verstehen wir den Verbindungsort von Pipelines mit gleichem Durchmesser, an dem die Mittellinien der Pipelines nicht zusammenfallen, sie bilden also einen bestimmten Winkel zueinander. Dieser Winkel wird als Rotationswinkel des Kanals bezeichnet, da sich hier die Bewegungsrichtung der Flüssigkeit ändert. Die physikalischen Grundlagen des Prozesses der Umwandlung von kinetischer Energie bei der Flussdrehung sind recht komplex und sollten nur als Ergebnis dieser Prozesse betrachtet werden. Also bildet sich beim Passieren eine komplexe Strömungsform mit zwei Bewegungszonen der Wirbelflüssigkeit. Es ist zu beachten, dass dieser Bogen als Verbindungselement aufgrund des hohen Druckverlusts bei dieser Art von Verbindung äußerst unerwünscht ist.
Fließende Rotation der Kanäle
Diese Art von hydraulischem Widerstand kann in Bezug auf die Größe des Druckverlusts als wirtschaftlich günstiger angesehen werden, da es in diesem Fall praktisch keine gefährlichen Bereiche gibt, in denen sich eine intensive Bewegung des Fluids bilden könnte. Dennoch entstehen unter dem Einfluss der Tatsache, dass bei gedrehter Strömung Zentrifugalkräfte auftreten, die zur Trennung der Flüssigkeitsteilchen von der Rohrwand beitragen, immer wieder Wirbelzonen. Außerdem, In diesem Fall gibt es Gegenströmungen der Flüssigkeit, die von der Innenwand des Rohrs zur Außenwand des Rohrs gerichtet sind.
Ventil
Schieber werden häufig als Mittel zur Regulierung der Strömungseigenschaften von Flüssigkeiten (Durchfluss, Kopf, Geschwindigkeit) verwendet. Wenn ein Ventil im Kanal vorhanden ist, wird die Strömung um das Ventil herum stark verlangsamt. Diese Strömung führt zum Auftreten von Wurmlöchern in der Nähe der Ventilmatrizen. Der Druckverlustkoeffizient hängt vom Schließgrad des Ventils ab: a/d
Register
Schieber werden häufig als Mittel zur Regulierung der Strömungseigenschaften von Flüssigkeiten (Durchfluss, Kopf, Geschwindigkeit) verwendet. Wenn ein Ventil im Kanal vorhanden ist, wird die Strömung um das Ventil herum stark verlangsamt. Diese Strömung führt zum Auftreten von Wurmlöchern in der Nähe der Ventilmatrizen. Der Druckverlustkoeffizient hängt vom Schließgrad des Ventils ab
Rückschlagventile und Filter
Die Kopfverlustkoeffizienten werden in der Regel experimentell bestimmt.
