Жидкость в трубе: ответы и вопросы

Тема данной статьи - жидкость в трубе. Нам предстоит знакомство с формулами и физическими законами, обрисовывающими ее перемещение, объём и скорость. Мы попытаемся не лезть в дебри непростых расчетов: наша задача - обрисовать те закономерности, каковые будут понятны и доступны для вычисления человеку, далекому от гидродинамики.

Итак, приступим.

Размеры

Диаметр

При водопроводных и газовых труб мы имеем дело с не в полной мере простой системой измерений. Для соответствующих трубопроводов в качестве главного параметра употребляется пара непривычное понятие условного прохода, либо условного диаметра (ДУ). Он измеряется как в дюймах, так и в миллиметрах; одинаковая ВГП труба может продаваться как 1 1/4 дюйма либо ДУ32 мм.

Справка: в качестве меры длины в этом случае употребляется английский дюйм, равный 2,54 сантиметра. При пересчете дюймов в миллиметры направляться учитывать предусмотренный ГОСТ ход условных диаметров; так, в приведенном выше случае несложной пересчет 1 1/4 дюйма в миллиметры даст не 32, а 1,25х2,54=31,75 мм.

Приведем предусмотренные ГОСТ 3262-75 размеры водогазопроводных труб.

Потому, что толщина стенок варьируется в пределах одного типоразмера (трубы производятся легкими, обычными и усиленными), возможно заявить, что ДУ в общем случае близок к внутреннему диаметру, но, в большинстве случаев, не равен ему.

Сечение

При постройке водопроводов употребляются, за редким исключением, трубы круглого сечения.

Тому имеется две очень веских обстоятельства.

1. У круглой трубы минимальная площадь стенок при большой площади сечения. Значит, цена погонного метра трубопровода при фиксированной толщине стены будет минимальной - легко из-за меньшего расхода материала.
2. Круглое сечение снабжает большую прочность на разрыв. Дело в том, что сила, с которой внутренняя среда с избыточным давлением давит на стены, прямо пропорциональна их площади; а площадь, как мы уже узнали, минимальна как раз у круглой трубы.

Площадь внутреннего сечения вычисляется по формуле S=Pi*R^2, где S - искомое значение площади, Pi - число "пи", примерно равное 3,14159265, а R - радиус (добрая половина внутреннего диаметра). Скажем, у трубы с внутренним диаметром 200 мм сечение будет равняется 3,14159265х(0,1^2)=0,031 м2.

Потому, что течение жидкости в круглой трубе не всегда связано с заполнением всего ее объема, при расчетах часто употребляется понятие "живого сечения". Так именуют площадь сечения потока. Скажем, при заполнении трубы ровно наполовину она будет равна (Pi*R^2)/2 (в приведенном выше примере - 0,031/2=0,00155 м2).

Количество

Давайте узнаем, чему равен количество жидкости в трубе. С позиций геометрии каждая труба является цилиндром . Его количество рассчитывается как длины площади и произведение сечения.

Так, при площади сечения 0,031 м2 количество жидкости в всецело заполненном трубопроводе длиной 8 метров будет равен 0,031х8=0,248 м3.

При частично заполненной трубе для расчета употребляется среднее живое сечение. При расходе и постоянном уклоне перемещение жидкости по трубам будет равномерным; соответственно, живое сечение будет однообразным на всех участках безнапорного трубопровода.

Расход

Разберемся, как выглядит расчет расхода жидкости через трубу. Задача имеет громадную практическую ценность: она конкретно связана с расчетами водопроводов при известном количестве сантехнических устройств.

Должны огорчить вас: несложной и универсальной методики расчета не существует. Из-за чего?

Легко вследствие того что при исполнении полного гидродинамического расчета своими  руками необходимо учитывать громадный последовательность факторов:

• Коэффициент трения внутренней поверхности трубы. Разумеется, что шероховатая, покрытая отложениями сталь будет оказывать перемещению воды куда большее сопротивление, чем ровный полипропилен.

• Протяженность трубопровода. Чем большее расстояние предстоит пройти жидкости, тем громадным будет падение напора из-за торможения потока о стены, тем посильнее уменьшится расход.
• Диаметр трубопровода воздействует на течение вязкой жидкости по трубам куда более сложным образом, чем это может показаться. Чем меньше сечение, тем большее сопротивление труба оказывает потоку. Обстоятельство - в том, что с уменьшением диаметра изменяется соотношение ее площади стенок и внутреннего объёма.

Обратите внимание! В толстом трубопроводе ближняя к стенкам часть потока делает роль необычной смазки для его внутренней части. В узком же толщина слоя данной смазки выясняется недостаточной.

• Наконец, любой поворот трубопровода, переход диаметра, любой элемент запорной арматуры также воздействует на расход жидкости в нем, тормозя поток.

Необходимо осознавать, что все перечисленные факторы воздействуют на итог вовсе не на единицы процентов: скажем, для новой металлической трубы с полированной внутренней поверхностью и для заросшей отложениями (кроме того не учитывая падения просвета) гидродинамическое сопротивление отличается более чем в 200 раз.

Для специалистов все нужные для гидравлического расчета трубопровода с учетом его полной конфигурации, возраста и материала данные приводятся в таблицах Ф.А. Шевелева. На базе этих таблиц создано большое количество онлайн-калькуляторов, разрешающих выполнить расчет с той либо другой степенью достоверности.

Имеется, но, одна лазейка, разрешающая значительно упростить независимые расчеты. При расходе жидкости через отверстие, пренебрежимо малое если сравнивать с подводящей жидкость трубой (что, фактически, мы и замечаем при работе большинства сантехнических устройств), действует закон Торричелли.

В соответствии с этому закону, в обрисованном случае действует формула V^2=2gH, где V - скорость потока в отверстии, g - ускорение свободного падения (9,78 м*с^2), а H - высота столба над отверстием либо, что то же самое, напор перед ним.

Справка: 1 атмосфера (1 кгс/см2) соответствует напору водяного столба в 10 метров.

Как скорость потока в отверстии увязывается с расходом? В нашем случае инструкция по расчету несложна: через отверстие с площадью сечения S пройдет количество жидкости, равный произведению S на скорость потока V.

Давайте как пример вычислим расход воды через отверстие диаметром 2 сантиметра при напоре в 10 метров, соответствующем одной атмосфере избыточного давления.

1. V^2=2 х 9,78*10 = 195,6
2. V равняется квадратному корню из 195,6. Итог (13,985706 м/с) для простоты расчетов округлим до 14 м/с.
3. Площадь сечения отверстия с диаметром в два сантиметра в соответствии с вышеприведенной формуле равна 3,14159265*0,01^2=0,000314159265 м2.
4. Расход, значит, будет равным 0,000314159265*14=0,00439822971 м3/с. Для удобства переведем его в литры: потому, что 1 кубометр равен 1000 литров, в сухом остатке будет итог в 4,4 литра в секунду.

Для полноты картины приведем кое-какие справочные данные.

Скорость потока

Как выглядит расчет скорости потока жидкости в трубе? При ее вытекания через отверстие маленького диаметра действует вышеприведенный закон Торричелли.

Но как правило скорость потока жидкости в трубе рассчитывается для трубопровода громадной протяженности, гидравлическим сопротивлением которого нельзя пренебречь. Раз так - мы сталкиваемся с теми же проблемами: на скорость при постоянном перепаде на участке воздействует через чур большое количество факторов.

Обстановка быстро упрощается, в случае если нам известен расход. Для несжимаемых жидкостей действует упрощенная формула уравнения непрерывности: Q=Av, где Q - расход воды в метрах в секунду,  А - площадь полного либо живого сечения, v - средняя скорость жидкости в трубе круглого сечения либо каждый формы.

Зная вышеприведенные справочные данные расхода воды сантехприборами, нетрудно вычислить скорость перемещения потока в водопроводной трубе известного диаметра.

Как пример давайте узнаем, с какой скоростью будет двигаться вода в подводке ХВС с внутренним диаметром 15 мм (0,015 м) при одновременном наполнении сливного бачка, применении посудомоечной машины и умывальника.

1. Суммарный расход воды устройствами, в соответствии с вышеприведенной таблице, составит 0,1 + 0,3 + 0,12 = 0,52 л/с, либо 0,00052 м3/с.
2. Площадь сечения трубы равна 3,14159265 х 0,0075 м^2 = 0,000176714865625 м2.
3. Скорость потока в метрах в секунду равна 0,00052 / 0,000176714865625 = 2,96.

Для справки приведем кое-какие значения скорости перемещения воды в трубопроводах разного назначения.

Полезно: скорость потока до 1,5 м/с считается комфортной и не вызывающей ускорения абразивной эрозии стенок  трубопровода. Приемлемо временное увеличение скорости до 2,5 м/с.

давление и Диаметр

Еще один интересный аспект поведения жидкости в трубе - связь между статическим давлением и скоростью потока в нем. Она описывается законом Бернулли: статическое давление обратно пропорционально скорости потока.

Использование на практике этого закона отыскало воплощение во многих современных механизмах.

Приведем только несколько примеров:

• Пневматический краскопульт работает как раз за счет создаваемого в струе воздуха разрежения, которое практически высасывает краситель из бачка и превращает его в переносимый на окрашиваемую поверхность аэрозоль.
• В элеваторном узле дома, подключенного к теплотрассе, разрежение в создаваемой соплом струе воды из подающего трубопровода вовлекает через подсос часть воды из обратки в повторный цикл циркуляции.

Заключение

Сохраняем надежду, что читатель не отыскал наш маленький экскурс в базы физики, гидродинамики и геометрии через чур изнурительным. Как в большинстве случаев, дополнительную тематическую данные возможно найти в видео в данной статье (см.кроме этого статью "Дымоходные трубы: обслуживание и монтаж").

Удач!