элементы и параметры потока

Поток жидкости и его параметры.

Струйная модель потока

Поток – это направленное движение жидкости, ограниченное поверхностями раздела фаз; чаще всего – это твердые поверхности (стенки трубопроводов или аппаратов), но могут быть и другие среды (газы или жидкости), не смешивающиеся с данной движущейся жидкостью. Для сравнения различных потоков используют геометрические и гидравлические параметры.

Геометрические параметры потока. Живое сечение – это поверхность в границах потока, нормальная во всех точках к векторам скоростей струек, из которых состоит поток. Если поток однонаправленный – живое сечение является плоским. Для цилиндрической трубы, полностью заполненной движущейся жидкостью, живое сечение – круг. Площадь живого сечения обозначим S.

Смоченный периметр – это часть контура живого сечения, по которой поток соприкасается с твердыми стенками. Длину смоченного периметра обозначим П. Тогда (рис.3):

Рис. 3. Иллюстрация длины контурасмоченного периметра (П) живого сечения круглой формы в случае полного (а) и частичного (б) смачивания твердой поверхности границы потока

Таким образом, в случае частичного заполнения жидкостью сечения твердого трубопровода (рис. 3б) смоченный периметр определяется по незамкнутому контуру (дуге) АСВ и не включает в себя отрезок АВ, соответствующий границе раздела между жидкой и газовой фазами.

Гидравлические параметры потока. Расход – это количество жидкости, протекающей через данное живое сечение в единицу времени. В зависимости от того, в каких единицах измеряется количество жидкости, различают:

Q – объемный расход; М – массовый расход; G – весовой расход.

Они связаны между собой соотношением: М = ρ·Q; G = ρ g Q.

Как уже отмечалось, скорости в фиксированных точках движущейся жидкости называются местными (например, скорости движения в различных точках живого сечения потока). В целом поток можно представить как совокупность множества очень тонких параллельных струек, каждая из которых движется со своей скоростью (струйная модель потока).

Струйная модель потока. Чтобы уточнить понятие “элементарная струйка” жидкости, используем ряд вспомогательных понятий.

Линия тока – это кривая, проведенная внутри движущейся жидкости так, что вектор скорости в каждой точке направлен по касательной к этой кривой.

Трубка тока – это совокупность линий тока, проведенных через каждую точку замкнутого элементарного контура.

Элементарная струйка – это часть потока, заключенная внутри трубки тока (содержимое трубки тока).

а б

Рис. 4. Элементы струйной модели потока:

Свойства элементарной струйки:

1. Скорости жидкости в любой точке живого сечения можно считать одинаковыми (поскольку сечение является бесконечно малым).

2. Стенки элементарной струйки непроницаемы для жидкости (жидкость может двигаться лишь вдоль струйки).

Местные скорости могут быть усреднены во времени:

Местные скорости усредняются также и в пространстве (например, по живому сечению потока):

Понятием “средняя скорость потока” широко пользуются в гидравлике, поэтому скорость υ по умолчанию (если не оговорено иное) считается “средней” и индекс “ср” обычно опускается.

Организация стока поверхностных вод: Наибольшее количество влаги на земном шаре испаряется с поверхности морей и океанов (88‰).

Поперечные профили набережных и береговой полосы: На городских территориях берегоукрепление проектируют с учетом технических и экономических требований, но особое значение придают эстетическим.

Источник

Гидравлические элементы потока жидкости

К основным элементам потока жидкости относятся живое сечение, смоченный периметр, гидравлический диаметр и гидравлический радиус.

Живое сечение потока – поверхность в пределах потока, проведенная нормально к линиям тока. В дальнейшем будем рассматривать параллельноструйчатые потоки или потоки с незначительной кривизной. В этих случаях живое сечение можно считать плоским. На рис. 4.3 показаны различные случаи определения живого сечения (площадь живого сечения S отмечена горизонтальными черточками).

Смоченный периметр χ – периметр живого сечения потока, который соприкасается с ограждающими стенками. На рис. 4.4 смоченный периметр показан штриховой линией.

Гидравлический радиус R_г – отношение площади живого сечения к смоченному периметру:

(4.1)

Гидравлический диаметр D_г – величина, равная учетверенному гидравлическому радиусу:

(4.2)

Для круглой трубы при напорном течении (рис. 4.4, а) гидравлический диаметр D_г будет равен внутреннему диаметру трубы d:

.

Расход, средняя скорость. Уравнение расхода (неразрывности)

Расход – количество жидкости, проходящее через живое сечение потока (элементарной струйки) в единицу времени.

Данное количество жидкости можно измерять в единицах объема, массы и веса. Поэтому различают объемный Q, массовый Q_m и весовой Q_G расходы.

Для элементарной струйки, имеющей бесконечно малые площади живых сечений dS можно считать скорость u одинаковой во всех точек каждого сечения (см. рис. 4.2). Тогда для элементарной струйки объемный dQ, массовый dQ_m и весовой расходы dQ_G с учетом уравнений (2.1) и (2.2) будут равны:

Объемный расход потока жидкости можно определить как сумму расходов элементарных струек:

(4.3)

В инженерных расчетах воспользоваться уравнением (4.3) достаточно сложно, поэтому введено понятие средней скорости.

Средняя скорость потока – фиктивная скорость, с которой якобы движутся все частицы жидкости в данном живом сечении потока, но расход при этом равен расходу, вычисленному по действительным скоростям элементарных струек. Тогда

(4.4)

Исходя из закона сохранения вещества, сплошности (неразрывности) течения и непроницаемости трубки тока можно утверждать, что при установившемся течении несжимаемой жидкости во всех живых сечениях элементарной струйки расход постоянен (см. рис. 4.2):

(4.5)

Уравнение (4.5) называется уравнением объемного расхода (сплошности, неразрывности) для элементарной струйки. Для потока несжимаемой жидкости с учетом (4.4) получим:

(4.6)

Уравнение (4.6) является частным случаем закона сохранения вещества при условии сплошности (неразрывности) течения.

При установившемся движении сжимаемой жидкости (газа) плотность в различных сечениях потока может быть различной, но масса газа, проходящая через живое сечение, будет постоянной. Тогда уравнение расхода для сжимаемой жидкости (газа) будет иметь вид:

(4.7)

Следует отметить, что уравнение (4.7) справедливо и для несжимаемой жидкости. При этом ρ₁= ρ₂= ρ_n=const.

Режимы движения жидкости

Впервые в 1839 г. существование двух режимов движения жидкости установил немецкий инженер-гидротехник Готтхильф Хаген (1797 – 1884). Независимо от Хагена несколько позже к таким выводам в 1880 г. пришел Д.И. Менделеев. Наиболее полно исследовал режимы течения Осборн Рейнольдс. В жидкость, которая текла в прозрачной трубке, он впускал струйку окрашенной жидкости. При малых скоростях движения струйка окрашенной жидкости не размывалась и не смешивалась с основной жидкостью (рис. 4.5, а). Такое движение было названо слоистым или ламинарным (от лат. lamina – слой).

Ламинарным называется слоистое течение жидкости без перемешивания (перемещения частиц жидкости из одного слоя в другой) и без пульсации скорости и давления. Линии тока при этом параллельны оси движения потока. Ламинарное движение может быть как установившимся, так и неустановившимся.

При дальнейшем увеличении скорости потока в трубе струйка окрашенной жидкости сначала становится волнообразной, а затем исчезает. Частицы этой струйки начинают перемешиваться с потоком воды, при этом не наблюдается определенной закономерности их движения (рис. 4.5, б). В результате перемешивания частиц весь поток воды в трубе становится несколько окрашенным. Такое движение называется турбулентным (от лат. turbulentus – вихревой, беспорядочный).

Турбулентным называется течение, при котором происходит интенсивное перемешивание жидкости, наблюдается пульсация скорости и давления.

Переход от ламинарного течения к турбулентному для каждой трубы происходит при определенной скорости, называемой верхней критической скоростью u_кр.в (рис. 4.6). Если затем уменьшать скорость, то переход от турбулентного течения к ламинарному произойдет при меньшей скорости, которая называется нижняя критическая скорость u_кр.н. Ламинарное течение в интервале скоростей от u_кр.н до u_кр.в неустойчиво и при малейшем возмущении переходит в турбулентное. Поэтому под критической скоростью принято считать нижнюю критическую скорость u_кр = u_кр.н.

Проведя большое количество исследований для различных диаметров труб, Рейнольдс установил, что величина критической скорости u_кр прямо пропорциональна кинематической вязкости ν и обратно пропорциональна диаметру трубы d, т.е.

. (4.8)

Он также установил, что коэффициент пропорциональности k одинаков для всех жидкостей, газов и любых диаметров труб. В честь его работ это безразмерное число k (критерий перехода от одного режима к другому) названо – критическим числом Рейнольдса Re_кр:

. (4.9)

Многочисленные опыты, проведенные также и другими исследователями, показали, что для труб круглого сечения Re_кр≈ 2300. Таким образом, число Рейнольдса позволяет определить расчетным путем режим движения жидкости или газа. Для этого необходимо определить число Рейнольдса Re= u d/ν и сравнить его с критическим числом. Когда Re Re_кр – турбулентный.

Как отмечалось выше, Re_кр≈ 2300 соответствует нижней критической скорости u_кр.н. Поэтому строго говоря, развитое турбулентное течение устанавливается только при Re > 4000, а в диапазоне Re = 2300… 4000 имеет место переходная область.

Если живое сечение потока является некруглым, то при расчете числа Рейнольдса используется гидравлический диаметр D_г:

(4.10)

Для потоков с некруглым живым сечением критическое число Рейнольдса находится в пределах Re_кр=1800…4000 [4, с.86].

В трубопроводах систем отопления, вентиляции, водоснабжения, газоснабжения и др. движение жидкости (газа), как правило, является турбулентным, поскольку движущаяся среда имеет невысокую вязкость [1, с.154].

5динамика жидкости и газа

Источник

Физические свойства и параметры жидкостей. Основные элементы потоков и виды течений. Кавитация. Уравнение Бернулли. Связь скорости и давления в потоке. Структура формулы для силы в гидродинамике. Геометрические и гидродинамические характеристики крыльев. Составляющие сопротивления судна

Страницы работы

Содержание работы

1. Физические свойства и параметры жидкостей. Основные элементы потоков и виды течений. Кавитация.

Жидкостью называют физическое тело, характеризующееся свой­ством текучести, обусловленное высокой степенью подвижности частиц жидкости друг относительно друга.

Различают капельные и газообразные жидкости.

Физические свойства жидкостей:

1)Плотностью жидкости называют массу единицы объема жидкос­ти. Если объем жидкости Vимеет массу М, то плотность равна p=M/V.

Плотность жидкости зависит от температуры, давления и солености, однако в большинстве случаев влиянием температуры и давления на жидкость несжимаемых жидкостей можно пренебречь.

2)Весомость жидкости характеризуется ее сдельным весом (или объемным весом). Удельным весом y называют вес единицы объема жидкости. у=G/V (кН/м 3 )

3) Вязкостью жидкости называют свойство, в силу которого в ней проявляются силы внутреннего трения препятствующие сдвигающим усилиям. При малых скоростях движение жидкости вблизи поверхности тела имеет ламинарный (слоистый) характер. Отдельные слои жидкос­ти движутся почти параллельными струйками без переноса конечных малых объемов жидкости из одного слоя в соседние.

При движении слоев жидкости с различными скоростями между ними возникают напряжения внутреннего трения т, значения которых согласно закону Ньютона пропорциональны градиенту скорости ди/дп по нормали п к плоскости скольжения АВ : τ=µ(dv\dn)

При решении ряда теоретических вопросов в целях упрощения изучения явлений, связанных с обтеканием тел жидкостью, в (гидродинамике часто пользуются понятием идеальной жидкости. В отличие от реальной абстрактная идеальная жидкость абсолютно несжимаема и обладает абсолютной подвижностью т. е. лишена вязкости. Коэффициенты μ и v идеальной жидкости равны нулю. Одна­ко все выводы, сделанные для идеальной жидкости, корректируются или дополняются применительно к реальной жидкости.

При обтекании жидкостью твердых тел свойство вязкости проявляется наиболее полно лишь в зоне, непосредственно примыкающей к телу, называемой пограничным слоем.

В пределах пограничного слоя скорости частиц жидкости изменяются от нуля на поверхности тела до значения скорости внешней среды на границе слоя.

Виды течения жидкостей.

При турбулентном движении частицы жидкости помимо главного направления перемещаются в поперечном направлении. Следовательно, при турбу­лентном движении перенос количества движения из одного слоя в другой осуществляется главным образом путем перехода отдельных объемов жидкости из слоя в слой.

Линия тока- это линия, касательная к векторам скорости каждой из рассматриваемых частиц, полученная в конкретный момент времени.

Трубка тока(элементарная струйка) – часть потока однородной жидкости, проходящая через бесконечно малую площадку с одинаковыми скоростями линий тока. Основным свойством трубки тока является невозможность выхода частиц жидкости за стенки трубки тока.

Кавитация. Из уравнения Бернулли следует, что с увеличением скорости должно падать давление. При достаточно больших скоростях потока давление в точках, где коэффициент давления имеет минимальное значение, может упасть до давления насыщенных паров p_d при котором жидкость начнет кипеть. Это явление вскипания жидкос­ти без ее нагрева называют в гидромеханике кавитацией. Появлению кавитации способствуют растворенные в воде воздух и газы, которые выделяются при понижении давления. Пары жидкос­ти и выделившиеся из нее воздух и газы образуют полости, именуемые кавитационными кавернами.

Существует три вида кавитации: пузырчатая, пленочная и вихревая.

При пузырчатой кавитации каверны в виде отдельных пузырьков располагаются по телу разрозненными группами. По мере развития процесса отдельные пузырьки сливаются и образуют пленочную кави­тацию, при которой каверны существуют в виде тонких длинных полос. В ядрах вихрей возникает вихревая кавитация. Из-за различного рода случайных причин кавитационная каверна и, в первую очередь, ее задняя кромка неустойчивы и пульсируют. Если при замыкании каверны на теле часть каверны в результате пуль­саций попадает в область, где р > рd, то пар в этом месте конденсирует­ся, что происходит практически мгновенно и сопровождается звуко­вым импульсом и гидравлическими ударами. Этот процесс называется захлопыванием (замыканием) пузырьков каверны. При замыкании каждого пузырька внутри него в течение миллисекунд и даже микро­секунд возникают высокие давления. Вследствие малой площади сечения пузырьков и высоких давлений импульсного характера в ма­териале тела возникают ^напряжения, во много раз превосходящие его предел текучести. Происходит выкол материала, появляются трещины, интенсифицируется процесс коррозии. Такое разрушение материала называют кавитационной эрозией.

Из сказанного следует, что кавитация на телах (крыльях, лопастях гребных винтов) нежелательна. Для отдаления момента начала кави­тации следует по возможности увеличивать заглубление тела, подни­мая тем самым давление на поверхности тела, либо уменьшать пики разрежения £. Для уменьшения £ следует придавать телу более обте­каемую форму, увеличивая его длину по сравнению с шириной (тол­щиной).

2. Уравнение Бернулли. Связь скорости и давления в потоке. Структура формулы для силы в гидродинамике.

Источник

Элементы и параметры потока

Основные параметры потока следующие:

Средняя расчетная интенсивность потока

б) объем, трудоемкость или машиноемкость работ.

Технология производства свай поточным способом

е) продолжительность выпуска готовой продукции определяется следующими зависимостями:
при поточно-захватном методе

при поточно-линейном методе

где: V — объем работ в единицах измерения интенсивности потока;

v — скорость потока, м/смену (интенсивность потока в линейных единицах измерения);

ж) продолжительность потока

Рис.3 Циклограмма потока

Рис.4 График потока

будут параллельны между собой (Рис. 3 ). Чем больше угол наклона линий к горизонтальной оси, тем быстрее протекает процесс.

На графиках потоков продолжительность процессов на захватках (ритмы) откладывают горизонтальными линиями в соответствии с переходом исполнителей с захватки на захватку (рис, 3,4).

Для организации работ поточным методом, разработки циклограмм и графиков проводят технологические расчеты, позволяющие выявить все необходимые ресурсы, элементы затрат и параметры потоков.

При выполнении технологических расчетов исходят либо из заданного срока строительства, либо из заданной мощности строительной организации.

При расчетах по заданному сроку определяют расчетную интенсивность потока

По расчетной интенсивности потока находят все необходимые ресурсы (потребные количества рабочих, основных механизмов, материалов и др.).

При расчетах по заданной мощности строительной организации определяют необходимый срок для выполне­ния заданного объема работ

В этом случае срок проведения работ устанавливают с учетом конкретных возможностей исполнителей, то есть имеющейся базы и возможного ее расширения. Второй метод применим в основном к условиям постоянно действующих некрупных организаций типа специализированных передвижных механизированных колонн (ПМК) и строительно-монтажных управлений (СМУ).

Переход на поточные методы организации и производства работ требует самого высокого уровня организационно-технологической и материально-технической подготовки производства на всех этапах, так как задержки хотя бы в одном его звене приводят к простою всех взаимодействующих исполнителей.

Основные положения поточной организации работ должны быть заложены в проект организации строительства (ПОС), а конкретные решения по поточной технологии разрабатываются при подготовке проекта производства работ (ППР).

Источник

Поток как управляемая система. Основные параметры потоков

Объектом исследования логистики как науки и объектом управления логистики как сферы предпринимательства является система материальных, информационных, финансовых и других потоков. Принципиальное отличие логистического подхода от предшествующего ему управления движением материальных ресурсов состоит в том, что теперь объектом управления стал поток – множество объектов, воспринимаемое как единое целое.

Главными категориями логистики являются поток и запас, которые друг без друга просто не могут существовать. Очевидно, в долгосрочном периоде все совокупности ресурсов представлены в виде потоков, а запасы могут рассматриваться как частные случаи последних. Но в кратко­срочном периоде в прагматическом плане допустимо и целесообразно рассмотрение потоков и запасов как паритетных логистических категорий.

Поток представляет собой систему перемещаемых объектов, множество элементов, воспринимаемое как единое целое. Параметры потока – это параметры, характеризующие число объектов, которые имеются в наличии в конкретный момент времени, и измеряемые в абсолютных единицах. Между статическими величинами запасов и динамическими характеристиками потоков существует тесная взаимосвязь:

• поток (П) характеризует процесс изменения запаса (з)

• запас отражает результат изменения и накопления потока

Категории потока и запаса широко используются в макроэкономических моделях, правда, без столь глубокой и детализированной проработки, которая необходима в логистике. Потоки и запасы в логистике являются частным случаем обобщенных экономических категорий, впро­чем, так же, как и логистические закономерности – частным проявлением общеэкономических законов. В ряде экономических исследований различие между потоком и запасом далеко не очевидно.

Основные параметры, характеризующие поток, следующие: его начальный и конечный пункты, геометрия пути (траектория), длина пути (мера траектории), скорость и время движения, промежуточные пункты, интенсивность. Для описания потоков и работы с ними необходима хотя бы самая простая классификация, которую целесообразно выстраивать по следующим признакам.

1. По отношению к рассматриваемой системе:

а) внутренние потоки – циркулируют внутри системы

б) внешние потоки – поступают в систему извне и/или покидают ее пределы

2. По степени непрерывности:

а) непрерывные потоки – в каждый момент времени по траектории потока перемещается определенное количество объектов

б) дискретные потоки – образуются объектами, перемещаемыми с интервалами

3. По степени регулярности:

а) детерминированные потоки – характеризуются определенностью параметров на каждый момент времени

б) стохастические потоки – характеризуются случайным характером параметров, которые в каждый момент времени принимают определенную величину с известной степенью вероятности

4. По степени стабильности:

а) стабильные потоки – характеризуются постоянством значений параметров в течение опре­деленного промежутка времени

• текучесть – характеристика скорости перемещения одинакового слоя данного потока под влиянием внешней среды; это величина, обратная вязкости

б) турбулентные потоки – характеризуются хаотическими взаимными перемещениями элементов потока, вызывающими флуктуационные изменения практически всех показателей потока и существенно затрудняющими процесс управления потоком.

Материальным потоком, рассматриваемым в логистике, является количественная сово­купность каких-либо грузоединиц товарно-материальных ценностей, отнесенная к интервалу времени, в течение которого возникает и развивается эта совокупность грузоединиц.

Логистика имеет дело и с другими потоками – информационными и финансовыми. Эти потоки также имеют материальную природу, сопутствуют названным материальным потокам грузоединиц, инициируются ими и, в свою очередь, влияют на них. Однако они рассматриваются отдельно от вышеприведенного понятия.

Массовый поток – это поток, требующий транспортировки группой транспортных средств, например, целым железнодорожным составом из многих вагонов, колонной трейлеров и т.п.

Крупный поток – это поток, требующий нескольких вагонов или трейлеров и т.п.

Средний поток – это поток, образованный одиночными вагонами, трейлерами и т.п.

Мелкий поток – это поток грузов, меньших, чем грузоподъемность одиночного транспортного средства, и могущий быть совмещенным при транспортировке с другими мелкими потоками.

Тяжеловесные потоки – это потоки, образованные грузами высокой плотности и, следова­тельно, занимающие при том же весе меньший объем. К таким потокам относят потоки, образо­ванные грузами с массой одного места при водных перевозках более 1 т, а при железнодорожных перевозках – 0,5 т.

Легковесные потоки – это потоки, образованные грузами с малой плотностью и, следова­тельно, при заданном объеме, определяемом габаритами, допустимыми для данного транспорт­ного средства, обладающие малым весом. В таких потоках 1 т груза занимает более 2 куб. м.

Насыпные грузы – образуют потоки, требующие специальных транспортных средств: бункер­ных вагонов, контейнеров, трейлеров и т.п. Характерным примером таких грузов является зерно.

Навалочные грузы – образуют потоки, не требующие специального затаривания, и для кото­рых допускается возможность слеживаться, смерзаться и др. Характерными примерами такого рода грузов являются руда, уголь и т.п.

Тарно-штучные грузы имеют разнообразные физические и химические свойства. Они могут транспортироваться как в определенной таре (ящиках, мешках и др.), так и без тары, поштучно (длинномерные грузы, прокат и др.).

Наливные грузы – это грузы, заливаемые в цистерны и в другие наливные транспортные средства.

Основными параметрами, характеризующими тот или иной материальный поток, являются:

– транспортная масса М;

– транспортный путь L;

– транспортное время Т.

В логистике различают скалярную и векторную транспортную массы. В первом случае огра­ничиваются перечислением составляющих поток грузоединиц, а направление требуемой или фак­тически происходящей транспортировки не рассматривается. Во втором случае, кроме указанных данных, также рассматривается информация об исходном пункте и пункте назначения соответст­вующего материального потока.

Транспортный путь на логистических схемах организации перевозок изображается обычно прямолинейными векторами, но фактически он представляет собой реальный путь следования по маршруту перевозки.

Транспортное время – это время, необходимое для начала выполнения и завершения процесса перевозки. Обычно различают также общее время движения транспортной массы и собственно время нахождения транспортной массы в пути.

Иногда используется также понятие транспортной работы, определяемой как скалярное произведение транспортной массы на векторный транспортный путь.

Материальный поток – это продукция (в виде грузов, деталей, товарно-материальных ценно­стей), рассматриваемая в процессе приложения к ней различных логистических (транспортировка, складирование и др.) и/или технологических (механообработка, сборка и др.) операций и отнесен­ная к определенному временному интервалу. Материальный поток не на временном интервале, а в данный момент времени переходит в материальный запас.

Материальный поток внешний – материальный поток, протекающий во внешней (по отноше­нию к логистической системе) среде.

Материальный поток внутренний – материальный поток внутри данной логистической системы.

Материальный поток входной – внешний материальный поток, поступающий в данную логи­стическую систему из внешней среды.

Материальный поток выходной – внешний материальный поток, поступающий из данной логистической системы во внешнюю среду.

Грузовой поток – количество грузов, перевезенных отдельными видами транспорта в опреде­ленном направлении от пункта отправления до пункта назначения за определенный период (обычно за год).

Источник