1. Запись закона сохранения массы для трубы переменного сечения. Движение жидкости по трубам широко распространено в природе и технике. Например, течение рек, течение нефти по нефтепроводу, течение крови по кровеносным сосудам человека и животных и т. д.
Продувая струю воздуха между двумя шариками или листами плотной бумаги, подвешенными на нитях, можно наблюдать их взаимное притяжение. Похожее явление возникает при движении больших судов в узком канале, где суда значительно уменьшают сечение потока жидкости.
По всей видимости, давление внутри движущейся жидкости или газа уменьшается по сравнению с давлением окружающей среды.
Выясним зависимость давления жидкости от скорости её течения в трубе. Воспользуемся для этого законом сохранения механической энергии.
Рассмотрим движение идеальной жидкости в наклонном участке трубопровода, находящегося в поле земного тяготения.
Выделим мысленно некоторый элемент жидкости. Жидкость, находясь в движении, обладает кинетической энергией. Если она поднимается или опускается, то изменяется её потенциальная энергия.
|
|
Согласно закону сохранения энергии работа, совершенная над рассматриваемым элементом жидкости внешними силами, которые поддерживают движение жидкости или газа, должна быть равна изменению его полной механической энергии: A = Δ E k + Δ E p.
Пусть за небольшой промежуток времени жидкость перемещается вверх и вправо. (S 1, S 2 – поперечные сечения трубы слева и справа).
Левый участок жидкости перемещается на расстояние Δ x 1, за то же время правый – на Δ x 2. Массу перенесенной жидкости выделенного элемента можно определить, зная плотность жидкости и её объём: m = ρ ∙ V.
Изменение кинетической энергии выделенного элемента жидкости равно разности кинетических энергий рассматриваемых частей:
Изменение потенциальной энергии выделенного элемента жидкости равно: Δ E p = m ∙ g ∙ (h 2 – h 1).
Работа, совершаемая над выделенным элементом внешними силами, равна:
Приравнивая работу внешних сил к изменению кинетической и потенциальной энергии выделенного участка жидкости, имеем:
После преобразования получаем следующее выражение:
Это уравнение названо в честь швейцарского математика и механика Даниила Бернулли уравнением Бернулли.
Если жидкость неподвижна, то из уравнения можно получить обычное соотношение между глубиной и давлением: p 1 + ρ ∙ g ∙ h 1 = p 2 + ρ ∙ g ∙ h 2.
Если p 2 – давление наверху в жидкости, а (h 2 – h 1) – глубина h, отсчитываемая от поверхности жидкости, то получим: p = p 0 + ρ ∙ g ∙ h, где p 0 – атмосферное давление.
|
|
Если отбросить в уравнении Бернулли слагаемое, соответствующее потенциальной энергии, то получается соотношение между давлением и скоростью жидкости, движущейся горизонтально:
Вывод очевиден: где скорость велика, там мало давление.
|
Можно проверить справедливость уравнения Бернулли на опыте. Через трубу переменного сечения, в которую впаяны манометрические трубки, пропускают жидкость. По высоте жидкости в манометрических трубках судят о давлении в разных сечениях трубы. На рисунке наименьшее давление – в среднем сечении трубы.
Уравнение Бернулли справедливо не только для жидкостей, но и для газов, если их сжатие мало.
Работа водоструйных насосов, автомобильных карбюраторов, пульверизаторов, водомеров и газомеров основана на уравнении Бернулли.
2. Физическое содержание гидравлического КПД насоса. Различают три вида коэффициента полезного действия, которые связаны с различными факторами, снижающими эффективность работы насоса.
Объемный КПД (hV) насоса
учитывает обратное течение с расходом q, возникающее в зазорах насоса. Причиной появления такого течения является различие давления между всасывающим патрубком (где давление низкое) и внешней частью рабочего колеса, где давление относительно высокое. Если требуется от насоса расход Q, то на самом деле должен подавать расход Q + q.
Гидравлический КПД насоса (hg) учитывает потери давления из-за действия сил трения, изменение направления движения жидкости и перехода ее в участки насоса с различными проходными сечениями, удары жидкости о колесо и лопатки, наличие вихревых движений жидкости.
Если p – требуемое давление, а p g – потери давления по указанным причинам, то
.
Гидравлические потери пропорциональны квадрату скорости течения жидкости, или, расхода Q, обеспечиваемого насосом. Поэтому они сильно зависят от условий его работы, когда указывается интервал изменения hg, то имеется в виду номинальный рабочий диапазон насоса, указанный фирмой-изготовителем.
Механический КПД (hm) учитывает затраты на преодоление сил трения в подшипниках, уплотнителях (сальниках), предназначенных для удаления течи жидкости из зазоров и щелей. Потери мощности на силы трения W f, мощность на валу W v. Тогда
.
Полный КПД насоса
.