Течение газов с трением
В реальных условиях течение газов в каналах сопровождается диссипацией энергии вследствие трения, обусловленного вязкостью среды и шероховатостью стенок канала (в турбулентном режиме движения). Поэтому в уравнение Эйлера необходимо ввести член, учитывающий удельные силы трения
.
После преобразований с использованием уравнения Менделеева-Клапейрона получим
Имея в виду, что
и привлекая уравнение сплошности в логарифмических дифференциалах, которое для каналов с постоянной площадьюпоперечного сечения имеет вид
найдем
.
Но из уравнения энергетического баланса при адиабатном течении газа
следует
С учетом этого
.
Интегрирование дает
.
Критическая длина, на которой достигается скорость звука, равна
.
Температуру и давление на выходе трубопровода определяют по формулам
; .
В качестве примера определим потери давления при адиабатном течении воздуха в пневмолинии диаметром D =0,01м и длиной L=20м, если расход составляет G =0,189 кг/c, температура и давление на входе T1 =300K,
р1 = 0,6 МПа. Эквивалентную шероховатость трубопровода примем равной D=0,01 мм.
На входе плотность и скорость воздуха, скорость звука, число Маха и число Рейнольдса равны
.
Коэффициент сопротивления по длине по условиям на входе по формуле Альтшуля
.
Число Маха на выходе, определенное методом последовательных прибли-жений
.
Остальные параметры на выходе
Т2 = 297,6 К; а2 = 347 м/с; v2 = 78,1 м/с; Re2 = 4,88×104; l2 = 0,024.
Уточненные результаты расчетов по среднему значению коэффициента сопротивления по длине lср=0,026:
Т2 = 298,3 К; а2 = 347,4 м/с; v2 = 68,8 м/с.
Сопротивление пневмолинии
Dр = 0,298 МПа.
Часто встречающейся задачей является определение пропускной спо-собности трубопровода заданных размеров при наполнении и опорожнении емкостей по заданным значения давления на концах и температуры на входе. Решается она в следующей последовательности:
– по температуре, давлению и начальной оценке числа Маха на входе находят скорость звука, скорость потока и по уравнению состояния плотность газа;
– по уравнению неразрывности рассчитывают расход газа по условиям на входе;
– по приведенным выше соотношениям определяют число Маха, тем-пература, скорость звука и скорость потока на выходе;
– по полученной температуре и заданному давлению находят по урав-нению состояния плотность газа на выходе;
– рассчитывают расход газа по условиям на выходе;
– подгонкой числа Маха на входе выравнивают значения расходов на концах трубопровода.
При изотермическом движении газа число Маха на выходе определяют решением уравнения
.
Давление равно
.
С исходными данными, использованными в рассмотренном выше примере, результаты расчетов практически совпадают.
При адиабатном течении газов с трением в каналах с переменной площадью поперечного сечения также действует приведенное выше уравнение движения, но с учетом того, что уравнение неразрывности имеет вид
изменение числа Маха по длине канала описывают дифференциальным уравнением
дополнительно содержащим функцию ω(x), которая характеризует форму канала и может иметь самый разный вид, в том числе не позволяющий провести непосредственное интегрирование. В такой ситуации, а также при необходимости учета изменения коэффициента сопротивления по длине, приходится прибегать к конечно-разностным методам расчета течения.
После выбора шага разбиения канала на участки Dх параметры на выходе каждого из них определяют по соотношениям
.
В качестве примера определим длину сопла с экспоненциальным про-филем, диаметр на выходе, скорость и противодавление, соответствующие критическому режиму истечения воздуха, если на входе диаметр равен
D1=30 мм, давление р1=0,6 МПа, температура T1=300K, скорость v1=35 м/c. Коэффициент трения по длине постоянен и равнен l=0,025.
Пусть профиль сопла описывают уравнением
где х – расстояние от входа в сопло.
Дата добавления: 2015-11-26; просмотров: 1556;