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!