Диффузор (научное определение). Потери давления в сети

21.09.2019Рубрика: С Новым годом

Материал из Википедии - свободной энциклопедии

Диффузор (в гидроаэродинамике) - часть канала (трубы), в которой происходит замедление (расширение) потока. При этом перепад статических давлений на диффузоре может быть меньше, чем на участке прямой трубы исходного сечения (см. Формула Дарси - Вейсбаха), т. е. его бывает отрицателен; однако при росте длины при постоянном угле раскрытия и при увеличении угла раскрытия диффузора может произойти отрыв потока от стенок (вблизи них образуются вихри), при этом коэффициент сопротивления диффузора очень сильно возрастает .

Существует конструкция, обратная диффузору, называемая конфузор - часть канала, в которой происходит соединение и плавный переход большего сечения в меньшее. Движение воздуха в конфузоре характеризуется тем, что динамическое давление в нём в направлении движения потока увеличивается, а статическое - уменьшается. Увеличивается скорость течения жидкости или газа.

Область применения диффузоров

Диффузор применяется в устройствах, в которых осуществляется перемещение жидкостей и газов (водопроводах , воздуховодах , газопроводах , нефтепроводах , аэродинамических трубах , реактивных двигателях и др.). В электроакустике часть механической колебательной системы громкоговорителя , предназначенной для возбуждения звуковых волн в окружающем воздухе.

Конструкция диффузоров

Акустический диффузор обычно изготовляется из специальных сортов бумаги и гибко крепится к металлическому корпусу громкоговорителя .
Диффузор в фототехнике приспособление для получения фотографического изображения мягкого рисунка. Представляет собой: а) плоскопараллельную стеклянную пластинку с квадратной сеткой или концентрическими кругами, нанесёнными алмазом на расстоянии 2-3 мм; б) узкие полоски стекла шириной 0,1 диаметра объектива и толщиной 0,8-1 мм. Полоски и пластинки укрепляются в оправу, которая надевается на объектив фотоаппарата или фотографического увеличителя после наводки на резкость.
Диффузор в производстве глинозёма аппарат для проточного выщелачивания дроблёного бокситового спека . Обычно 12-14 таких аппаратов соединяются последовательно, образуя батарею. Особенность проточного выщелачивания в Д. состоит в том, что спек в них остаётся всё время неподвижным на решётчатом днище, а раствор последовательно в каждом Д. просачивается через толщу спека. Омывая каждую отдельную частицу, а также проникая по порам внутрь её, раствор выщелачивает растворимые составляющие. В один конец батареи подаётся горячая вода, из др. сливается концентрированный раствор алюмината натрия . Все Д. соединены трубопроводами; с помощью кранов можно отключить любой из них, не нарушая работы остальных. Д. с выщелоченным спеком периодически отключают, а в др. конце батареи вместо него включают Д. со свежим спеком. Обычно в батарее из 14 Д. 12 находятся в работе, 1 под загрузкой и 1 под разгрузкой.
Диффузор в пищевой промышленности
Диффузор в вентиляции

Диффузором в автомобильной промышленности принято считать часть или элемент обвеса (см. диффузор (автомобиль)).
Диффузор в кинетическом двигателе

Конфузор

При круглых воздуховодах конфузор имеет вид усечённого конуса, при квадратных - усечённой пирамиды. Наиболее часто конфузор используют для подсоединения воздуховода к всасывающей стороне вентилятора радиального , что позволяет уменьшить коэффициент местного сопротивления ζ (коэффициент Дарси) (вследствие более плавного сужения воздушного потока и предотвращения отрыв пограничного слоя и образования вихрей), а следовательно, уменьшить потери давления , развиваемого вентилятором.

$\zeta =\frac{\lambda_T}{8\sin{\alpha/2}} \left(1-\frac{1}{n^2} \right)$ ,

где $n =\frac{S_1}{S_2}$ - степень сужения; $\lambda_T$ - коэффициент потерь на трение по длине при турбулентном режиме.

Гидравлическое сопротивление конфузора всегда меньше гидравлического сопротивления диффузора такого же размера.

Течения в диффузоре и конфузоре

В конфузоре с небольшим углом раскрытия повышенного вихреобразования обычно не возникает, жидкость меняет направление плавно, и потери давления в основном связаны с ростом скорости. При росте угла раскрытия конфузор превращается во внезапное сужение, образуются застойные зоны с вихрями.

В диффузоре возможен отрыв потока, при этом возникают обширные вихревые зоны у краёв, и энергии теряется достаточно много (почти как при внезапном расширении). Однако, если угол очень маленький и отрыва потока на длине диффузора возникнуть не успевает, его коэффициент сопротивления может стать и отрицательным, как в трубке Вентури . В специально профилированном диффузоре безотрывное течение можно поддерживать более эффективно.

Напишите отзыв о статье "Диффузор (гидроаэродинамика)"

Литература

Ландау Л. Д. , Лифшиц Е. М. - Теоретическая физика (Том 6. Гидродинамика). Глава II. Вязкая жидкость. § 23. Точные решения уравнений движения вязкой жидкости. Течения в диффузоре и конфузоре.

См. также

Примечания

Ссылки

Определение «Диффузор» - статья из Большой советской энциклопедии .

Отрывок, характеризующий Диффузор (гидроаэродинамика)

– Ежели бы я знал, что из этого выйдет что нибудь, кроме унижения… – отвечал сын холодно. – Но я обещал вам и делаю это для вас.
Несмотря на то, что чья то карета стояла у подъезда, швейцар, оглядев мать с сыном (которые, не приказывая докладывать о себе, прямо вошли в стеклянные сени между двумя рядами статуй в нишах), значительно посмотрев на старенький салоп, спросил, кого им угодно, княжен или графа, и, узнав, что графа, сказал, что их сиятельству нынче хуже и их сиятельство никого не принимают.
– Мы можем уехать, – сказал сын по французски.
– Mon ami! [Друг мой!] – сказала мать умоляющим голосом, опять дотрогиваясь до руки сына, как будто это прикосновение могло успокоивать или возбуждать его.
Борис замолчал и, не снимая шинели, вопросительно смотрел на мать.
– Голубчик, – нежным голоском сказала Анна Михайловна, обращаясь к швейцару, – я знаю, что граф Кирилл Владимирович очень болен… я затем и приехала… я родственница… Я не буду беспокоить, голубчик… А мне бы только надо увидать князя Василия Сергеевича: ведь он здесь стоит. Доложи, пожалуйста.
Швейцар угрюмо дернул снурок наверх и отвернулся.
– Княгиня Друбецкая к князю Василию Сергеевичу, – крикнул он сбежавшему сверху и из под выступа лестницы выглядывавшему официанту в чулках, башмаках и фраке.
Мать расправила складки своего крашеного шелкового платья, посмотрелась в цельное венецианское зеркало в стене и бодро в своих стоптанных башмаках пошла вверх по ковру лестницы.
– Mon cher, voue m"avez promis, [Мой друг, ты мне обещал,] – обратилась она опять к Сыну, прикосновением руки возбуждая его.
Сын, опустив глаза, спокойно шел за нею.
Они вошли в залу, из которой одна дверь вела в покои, отведенные князю Василью.
В то время как мать с сыном, выйдя на середину комнаты, намеревались спросить дорогу у вскочившего при их входе старого официанта, у одной из дверей повернулась бронзовая ручка и князь Василий в бархатной шубке, с одною звездой, по домашнему, вышел, провожая красивого черноволосого мужчину. Мужчина этот был знаменитый петербургский доктор Lorrain.
– C"est donc positif? [Итак, это верно?] – говорил князь.
– Mon prince, «errare humanum est», mais… [Князь, человеку ошибаться свойственно.] – отвечал доктор, грассируя и произнося латинские слова французским выговором.
– C"est bien, c"est bien… [Хорошо, хорошо…]
Заметив Анну Михайловну с сыном, князь Василий поклоном отпустил доктора и молча, но с вопросительным видом, подошел к ним. Сын заметил, как вдруг глубокая горесть выразилась в глазах его матери, и слегка улыбнулся.
– Да, в каких грустных обстоятельствах пришлось нам видеться, князь… Ну, что наш дорогой больной? – сказала она, как будто не замечая холодного, оскорбительного, устремленного на нее взгляда.
Князь Василий вопросительно, до недоумения, посмотрел на нее, потом на Бориса. Борис учтиво поклонился. Князь Василий, не отвечая на поклон, отвернулся к Анне Михайловне и на ее вопрос отвечал движением головы и губ, которое означало самую плохую надежду для больного.
– Неужели? – воскликнула Анна Михайловна. – Ах, это ужасно! Страшно подумать… Это мой сын, – прибавила она, указывая на Бориса. – Он сам хотел благодарить вас.
Борис еще раз учтиво поклонился.
– Верьте, князь, что сердце матери никогда не забудет того, что вы сделали для нас.
– Я рад, что мог сделать вам приятное, любезная моя Анна Михайловна, – сказал князь Василий, оправляя жабо и в жесте и голосе проявляя здесь, в Москве, перед покровительствуемою Анною Михайловной еще гораздо большую важность, чем в Петербурге, на вечере у Annette Шерер.
– Старайтесь служить хорошо и быть достойным, – прибавил он, строго обращаясь к Борису. – Я рад… Вы здесь в отпуску? – продиктовал он своим бесстрастным тоном.
– Жду приказа, ваше сиятельство, чтоб отправиться по новому назначению, – отвечал Борис, не выказывая ни досады за резкий тон князя, ни желания вступить в разговор, но так спокойно и почтительно, что князь пристально поглядел на него.
– Вы живете с матушкой?
– Я живу у графини Ростовой, – сказал Борис, опять прибавив: – ваше сиятельство.
– Это тот Илья Ростов, который женился на Nathalie Шиншиной, – сказала Анна Михайловна.
– Знаю, знаю, – сказал князь Василий своим монотонным голосом. – Je n"ai jamais pu concevoir, comment Nathalieie s"est decidee a epouser cet ours mal – leche l Un personnage completement stupide et ridicule.Et joueur a ce qu"on dit. [Я никогда не мог понять, как Натали решилась выйти замуж за этого грязного медведя. Совершенно глупая и смешная особа. К тому же игрок, говорят.]
– Mais tres brave homme, mon prince, [Но добрый человек, князь,] – заметила Анна Михайловна, трогательно улыбаясь, как будто и она знала, что граф Ростов заслуживал такого мнения, но просила пожалеть бедного старика. – Что говорят доктора? – спросила княгиня, помолчав немного и опять выражая большую печаль на своем исплаканном лице.
– Мало надежды, – сказал князь.
– А мне так хотелось еще раз поблагодарить дядю за все его благодеяния и мне и Боре. C"est son filleuil, [Это его крестник,] – прибавила она таким тоном, как будто это известие должно было крайне обрадовать князя Василия.
Князь Василий задумался и поморщился. Анна Михайловна поняла, что он боялся найти в ней соперницу по завещанию графа Безухого. Она поспешила успокоить его.
– Ежели бы не моя истинная любовь и преданность дяде, – сказала она, с особенною уверенностию и небрежностию выговаривая это слово: – я знаю его характер, благородный, прямой, но ведь одни княжны при нем…Они еще молоды… – Она наклонила голову и прибавила шопотом: – исполнил ли он последний долг, князь? Как драгоценны эти последние минуты! Ведь хуже быть не может; его необходимо приготовить ежели он так плох. Мы, женщины, князь, – она нежно улыбнулась, – всегда знаем, как говорить эти вещи. Необходимо видеть его. Как бы тяжело это ни было для меня, но я привыкла уже страдать.

Конфузор - сужающийся участок трубопровода, в котором происходит увеличение скорости потока жидкости или газа.

Диффузор - расширяющийся участок трубопровода, в котором происходит уменьшение скорости потока жидкости или газа.

Сопло Лаваля - техническое приспособление, которое служит для ускорения газового потока проходящего по нему до скоростей превышающих скорость звука. Широко используется на некоторых типах паровых турбин и является важной частью современных ракетных двигателей и сверхзвуковых реактивных авиационных двигателей.

Сопло представляет собой канал, суженный в середине. В простейшем случае такое сопло может состоять из пары усечённых конусов, сопряжённых узкими концами. Эффективные сопла современных ракетных двигателей профилируются на основании специальных газодинамических расчётов.

Сопло было предложено в 1890 г. шведским изобретателем Густафом де Лавалем для паровых турбин.

В ракетном двигателе сопло Лаваля впервые было использовано американским инженером Робертом Годдардом в 1919 г.

Феномен ускорения газа до сверхзвуковых скоростей в сопле Лаваля был обнаружен в конце XIX в. экспериментальным путём. Позже это явление нашло теоретическое объяснение в рамках газовой динамики.

При анализе течения газа в сопле Лаваля принимаются следующие допущения:

1. Газ считается идеальным.

2. Газовый поток является изоэнтропным (то есть имеет постоянную энтропию, силы трения и диссипативные потери не учитываются) и адиабатическим (то есть теплота не подводится и не отводится).

3. Газовое течение является стационарнымым и одномерным, то есть в любой фиксированной точке сопла все параметры потока постоянны во времени и меняются только вдоль оси сопла, причём во всех точках выбранного поперечного сечения параметры потока одинаковы, а вектор скорости газа всюду параллелен оси симметрии сопла.

4. Массовый расход газа одинаков во всех поперечных сечениях потока.

5. Влиянием всех внешних сил и полей (в том числе гравитационного) пренебрегается.

6. Ось симметрии сопла является пространственной координатой x.

7. Отношение локальной скорости v к локальной скорости звука C обозначается числом Маха, которое также понимается местным, то есть зависимым от координаты x:

Из уравнения состояния идеального газа следует: , эдесь ρ - локальная плотность газа, p - локальное давление. С учётом этого, а также с учётом стационарности и одномерности потока уравнение Эйлера принимает вид:

что, учитывая (1), преобразуется в . (2)

Уравнение (2) является ключевым в данном рассуждении.
Рассмотрим его в следующей форме:

(2.1)

Величины и характеризуют относительную степень изменяемости по координате x плотности газа и его скорости соответственно. Причем уравнение (2.1) показывает, что соотношение между этими величинами равно квадрату числа Маха (знак минус означает противоположную направленность изменений: при возрастании скорости плотность убывает). Таким образом, на дозвуковых скоростях (M < 1) плотность меняется в меньшей степени, чем скорость, а на сверхзвуковых (M > 1) - наоборот. Как будет видно дальше, это и определяет сужающуюся-расширяющуюся форму сопла.

Поскольку массовый расход газа постоянен:

где A - площадь местного сечения сопла,

дифференцируя обе части этого уравнения по x, получаем:

После подстановки из (2) в это уравнение, получаем окончательно:

(3)

Заметим, что при увеличении скорости газа в сопле, выражение: положительно и, следовательно, знак производной определяется знаком выражения: (M 2 − 1)

Из чего можно сделать следуюшие выводы:

При дозвуковой скорости движения газа (M < 1), производная - сопло суживается.

При сверхзвуковой скорости движения газа (M > 1), производная - сопло расширяется.

При движении газа со скоростью звука (M = 1), производная - площадь поперечного сечения достигает экстремума, то есть имеет место самое узкое сечение сопла, называемое критическим.

Итак, на сужающемся, докритическом участке сопла движение газа происходит с дозвуковыми скоростями. В самом узком, критическом сечении сопла локальная скорость газа достигает звуковой. На расширяющемся, закритическом участке, газовый поток движется со сверхзвуковыми скоростями.
Перемещаясь по соплу, газ расширяется, его температура и давление падают, а скорость возрастает. Внутренняя энергия газа преобразуется в кинетическую энергию его направленного движения. КПД этого преобразования в некоторых случаях (например, в соплах современных ракетных двигателей) может превышать 70 %, что значительно превосходит КПД реальных тепловых двигателей всех других типов. Это превосходство имеет объяснение. Во-первых, рабочее тело не передаёт механическую энергию никакому посреднику (поршню или лопастям турбины), а в реальных тепловых двигателях на этой передаче имеют место большие потери. Во-вторых, газ проходит через сопло так быстро, что не успевает отдать заметное количество своей тепловой энергии через теплоотдачу стенкам сопла, что позволяет считать процесс адиабатическим. У реальных тепловых двигателей других типов нагрев конструкции составляет существенную часть потерь. Автомобильный двигатель, например, работает больше на радиатор охлаждения, чем на выходной вал.

Из уравнения состояния идеального газа, и баланса энергии в газовом потоке выводится формула расчёта линейной скорости истечения газа из сопла Лаваля:

(4)

v e - Скорость газа на выходе из сопла, м/с;

T - Абсолютная температура газа на входе;

R - Универсальная газовая постоянная R=8314,5 Дж/(киломоль*К);

M - молярная масса газа, кг/киломоль;

k - Показатель адиабаты k = c p / c v ;

c p - Удельная теплоемкость при постоянном давлении, Дж/(киломоль*К);

c v - Удельная теплоемкость при постоянном объеме, Дж/(киломоль*К);

p e - Абсолютное давление газа на выходе из сопла, Па;

p - Абсолютное давление газа на входе в сопло, Па.

При работе сопла Лаваля в непустой среде (чаще всего речь идет об атмосфере) сверхзвуковое течение может возникнуть только при достаточно большом избыточном давлении газа на входе в сопло по сравнению с давлением окружающей среды.

При возникновении сверхзвукового течения давление газа на выходном срезе сопла может оказаться даже меньше давления окружающей среды (вследствие перерасширения газа при движении по соплу). Такой поток может оставаться стабильным, поскольку давление окружающей среды (пока оно не на много превышает давление газа на срезе сопла) не может распространяться против сверхзвукового потока.

В общем случае удельный импульс сопла Лаваля (при работе как в среде, так и в пустоте) определяется выражением:

(5)

Здесь v e - скорость истечения газа из сопла, определяемая по формуле (4); A e - площадь среза сопла; p e - давление газа на срезе сопла; p 0 - давление окружающей среды; - секундный массовый расход газа через сопло.
Из выражения (5) следует, что удельный импульс и, соответственно, тяга ракетного двигателя в пустоте (при p 0 =0) всегда выше, чем на поверхности Земли. Это находит отражение в характеристиках реальных ракетных двигателей: обычно для двигателей, работающих в атмосфере, указываются по два значения для удельного импулься и тяги - в пустоте и на Земле (например, РД-107).

Зависимость характеристик двигателя от давления газа на срезе сопла p e носит более сложный характер: как следует из уравнения (4), v e растёт с убыванием p e , а добавка - убывает, и при p e < p 0 становится отрицательной.
При фиксированном расходе газа и давлении на входе в сопло величина p e зависит только от площади среза сопла, которую обычно характеризуют относительной величиной - степенью расширения сопла - отношением площади конечного среза к площади критического сечения. Чем больше степень расширения сопла, тем меньше давление p e , и тем больше скорость истечения газа v e .

Рассматривая соотношение давления на срезе сопла и давления окружающей среды, выделяют следующие случаи.

p e = p 0 - оптимальный режим расширения сопла, при котором удельный импульс достгает максимального значения (при прочих равных условиях). При этом, как следует из уравнения (5), импульс становится численно равным скорости истечения газа v e .

p e < p 0 - режим перерасширения. Уменьшение степени расширения сопла (несмотря на уменьшение скорости истечения газа) приведёт к увеличению удельного импульса. При проектировании ракетных двигателей первых ступеней ракет конструкторы часто сознательно идут на перерасширение, поскольку с набором ракетой высоты атмосферное давление падает, уравнивается с давлением на срезе сопла, и удельный импульс двигателя возрастает. Таким образом, жертвуя тягой в начале полёта, получают преимущество на последующих его стадиях, что, как показывают расчёты и практика, в сумме даёт выигрыш в конечной скорости ракеты.

Однако, при значительном превышении давления окружающей среды над давлением в газовом потоке, в нём возникает обратная ударная волна, которая распространяется против потока со сверхзвуковой скоростью, тем большей, чем больше перепад давления на её фронте, что приводит к срыву сверхзвукового течения газа в сопле (полному или частичному). Это явление может явиться причиной автоколебательного процесса, когда сверхзвуковое движение газа в сопле периодически возникает и срывается с частотой от нескольких герц до десятков герц. Для сопел ракетных двигателей, в которых происходят процессы большой мощности, эти автоколебания являются разрушительными, не говоря о том, что эффективность двигателя в таком режиме резко пвдает. Это накладывает ограничение на степень расширения сопла, работающего в атмосфере.

p e > p 0 - режим недорасширения. Недорасширение означает, что не вся внутренняя энергия газа израсходована на его ускорение и, увеличив степень расширения сопла, можно добиться увеличения скорости истечения газа и удельного импульса. В пустоте (при p 0 =0) полностью избежать недорасширения невозможно.

Рис. 1. Схема подвижного соплового насадка.

Неограниченное увеличение степени расширения сопла асимптотически приближает скорость истечения газа к пределу, определяемому его внутренней энергией, при этом увеличивается длина, диаметр выходного сечения, и, следовательно, вес сопла. Конструктор сопла, работающего в пустоте, должен принять решение: при какой степени расширения дальнейшее увеличение размера и веса сопла не стоит того увеличения скорости истечения, которое может быть достигнуто в результате. Такое решение принимается на основании всестороннего рассмотрения функционирования всего аппарата в целом.

Вышесказанное объясняет то обстоятельство, что ракетные двигатели, работающие в плотных слоях атмосферы, как правило, имеют степень расширения меньшую, чем двигатели, работающие в пустоте. Например, у двигателя F-1 первой ступени носителя Сатурн-5 степень расширения составляет 16:1, а RL 10B-2 - двигатель, используемый NASA на ускорителях межпланетных зондов, имеет степень расширения равную 250:1.

Стремление добиться эффективной работы двигателя как на Земле, так и на высоте заставляет конструкторов искать технические решения, позволяющие достигнуть эту цель. Одним из таких решений явился подвижный сопловой насадок - «продолжение» сопла, которое пристыковывается к нему по достижении ракетой разреженных слоёв атмосферы, увеличивая, таким образом, степень расширения сопла. Схема действия насадка изображена на рисунке 1. Здесь (1) - собственно сопло Лаваля; (2) - сопловой насадок; А - положение насадка при работе в нижних, наиболее плотных, слоях атмосферы; В - положение насадка на большой высоте. Эта схема была практически реализована в конструкции двигателя НК-33-1.

Диффузор (в гидроаэродинамике) - профилированная часть канала (трубы), в которой происходит замедление потока. При этом перепад статических давлений на диффузоре может быть меньше, чем на участке прямой трубы исходного сечения (см. Формула Дарси - Вейсбаха), т. е. его бывает отрицателен; однако при росте длины при постоянном угле раскрытия и при увеличении угла раскрытия диффузора может произойти отрыв потока от стенок (вблизи них образуются вихри), при этом коэффициент сопротивления диффузора очень сильно возрастает .

Область применения диффузоров

Диффузором в автомобильной промышленности принято считать часть или элемент обвеса (см. диффузор (автомобиль)).
Диффузор в кинетическом двигателе

Конфузор

Конструкция, обратная диффузору, называемая конфузор - часть канала, в которой происходит соединение и плавный переход большего сечения в меньшее. Движение воздуха в конфузоре характеризуется тем, что динамическое давление в нём в направлении движения потока увеличивается, а статическое - уменьшается. Увеличивается скорость течения жидкости или газа.

ζ = λ T 8 sin ⁡ α / 2 (1 − 1 n 2) {\displaystyle \zeta ={\frac {\lambda _{T}}{8\sin {\alpha /2}}}\left(1-{\frac {1}{n^{2}}}\right)} ,

где n = S 1 S 2 {\displaystyle n={\frac {S_{1}}{S_{2}}}} - степень сужения; λ T {\displaystyle \lambda _{T}} - коэффициент потерь на трение по длине при турбулентном режиме.

Течения в диффузоре и конфузоре

В местных сопротивлениях имеют место дополнительные потери напора, которые определяются по формуле Вейсбаха (29.1) или (29.2):

· потери напора, м

Dh м = z × ;

· потери давления, Па

Dр м = z × r × ,

где v – средняя скорость в сечении, обычно после местного сопротивления , м/с;

z – коэффициент местного сопротивления, безразмерный;

r – плотность жидкости, кг/м 3 ;

g – ускорение силы тяжести, м/с 2 .

При развитом турбулентном режиме течения в автомодельной области коэффициент z от числа Рейнольдса не зависит , а зависит от вида местного сопротивления, его геометрической формы и размеров препятствий на пути потока (иначе, геометрии потока).

Рассмотрим некоторые случаи местных гидравлических сопротивлений при турбулентном течении в автомодельной области и напорном движении.

1. Внезапное расширение трубопровода (рис. 52). Сечение трубопровода внезапно расширяется от площади w 1 до площади w 2 . В месте расширения поток отрывается от твёрдых стенок, образуя транзитную струю, которая постепенно расширяется. На некотором расстоянии от кромки расширения транзитная струя заполнит сечение w 2 . Между стенкой трубы и поверхностью транзитной струи жидкость медленно вращается, образуя водоворотную область. На границе между транзитной струёй и водоворотной областью происходит интенсивное вихреобразование. В связи с интенсивным вихреобразованием на границе транзитной струи и последующим гашением вихрей, происходят потери удельной энергии при внезапном расширении, которые можно определить по формуле Вейсбаха (29.1) или (29.2).

Коэффициенты сопротивления при внезапном расширении потока определяются следующими выражениями:

v 1 в сечении 1-1 (до местного сопротивления)

z в.р. 1 = ; (30.1)

· коэффициент, отнесённый к средней скорости v 2 в сечении 2-2 (после местного сопротивления)

z в.р. 2 = . (30.2)

где w 1 – площадь поперечного сечения трубопровода до расширения, м 2 ;

w 2 – площадь поперечного сечения трубопровода после расширения, м 2 .

Рисунок 52 – Внезапное расширение Рисунок 53 - Диффузор

При Re > 5× 10 3 коэффициенты сопротивления при внезапном расширении зависят только от отношения площадей w 1 и w 2 .

Потери удельной энергии при внезапном расширении трубопровода могут быть определены также по формуле Борда:

· потери напора, м

Dh в.р. = ; (30.3)

· потери давления, Па

Dр в.р. = r × , (30.4)

где v 1 – средняя скорость в сечении до местного сопротивления, м/с;

v 2 – средняя скорость в сечении после местного сопротивления, м/с;

a – коэффициент Кориолиса.

Потери напора при внезапном расширении равны скоростному напору, соответствующему потерянной скорости (v 1 – v 2 ).

Если принять a = 1, формулы (30.3) и (30.4) принимают вид:

· потери напора, м

Dh в.р. = ; (30.3, а)

· потери давления, Па

Dр в.р. = r × , (30.4, б)

2. Постепенное расширение (диффузор ) (рис. 53).

Вследствие малости потерями удельной энергии по длине диффузора часто пренебрегают (z дл. » 0). Поэтому принимаем, что коэффициент сопротивления диффузора равен коэффициенту сопротивления на постепенное расширение (z д = z п.р. ).

Коэффициенты сопротивления диффузора обычно относят к скорости в первом сечении v 1 (до местного сопротивления). Тогда коэффициент сопротивления диффузора равен:

z д = k д × z в.р. 1 = k д × . (30.5)

где k д – коэффициент смягчения диффузора;

Коэффициент смягчения диффузора k д учитывает уменьшение потерь энергии на диффузоре по сравнению с внезапным расширением при том же соотношении сечений соединяемых труб. Коэффициент k д находится по справочным таблицам в зависимости от углаконусностидиффузораQ .

Потери удельной энергии на диффузоре по формуле Борда (при a = 1) равны:

· потери напора, м

Dh в.р. = k д × ; (30.6)

· потери давления, Па

Dр в.р. = k д × r × , (30.7)

В зависимости от угла конусности движение в диффузоре может быть безотрывным (при Q < 8 0 …10 0), либо может происходить отрыв потока от стенок на части длины диффузора (при ~ 10 0 < Q < 50 0 …60 0). Полный отрыв потока от стенок по всей длине диффузора наблюдается при Q > 50 0 …60 0 . Отрыв бывает несимметричным и даже односторонним. Наивыгоднейший угол конусности изменяется в пределах от 5 0 до 8 0 .

3. Внезапное сужение (рис. 54). При внезапном сужении за кромкой сужения происходит отрыв потока от стенки и образование транзитной струи, которая сначала испытывает сжатие, а затем расширение. Между твёрдой стенкой и поверхностью транзитной струи образуется водоворотная зона. Образуются вихри, которые в результате обмена жидкостью между водоворотной зоной и транзитной струёй проникают в поток, где гасятся трением. В результате работы сил трения часть механической энергии потока переходит в теплоту. Потери удельной энергии равны:

Dh в.с. = z × или Dр в.с = z в.с × r × .

Рисунок 54 – Внезапное сужение Рисунок 55 - Конфузор

Коэффициент местного сопротивления на внезапном сужении z в.с при Re > 1´10 4 зависит только от отношения площадей . Значение коэффициента z в.с можно определить по формуле

z в.с. = (30.8)

где e - коэффициент сжатия струи.

Коэффициент сжатия струи равен отношению минимального живого сечения потока w с к площади трубопровода меньшего сечения w 2

e = , (30.9)

где w с - минимальное живое сечение потока;

w 2 - площадь трубопровода меньшего сечения w 2 (после местного сопротивления).

Коэффициент сжатия струи e зависит от степени сжатия потока n и его можно оценить по эмпирической формуле:

e = 0,57 + . (30.10)

где n – степень сжатия потока.

Степень сжатия потока n представляет собой отношение площади трубопровода меньшего сечения w 2 (после местного сопротивления) к площади трубопровода большего сечения w 1 (до местного сопротивления):

n = . (30.11)

4. Постепенное сужение (конфузор ) (рис. 55). При движении жидкости в конфузоре скорость потока вдоль трубопровода возрастает, а давление уменьшается. Так как жидкость движется от большего давления к меньшему, то причин для срыва потока (как это имело место в диффузоре) в конфузоре меньше. Поэтому сопротивление конфузора всегда меньше сопротивления диффузора с теми же геометрическими характеристиками.

Вследствие малости потерями удельной энергии по длине конфузора часто пренебрегают (» 0). Поэтому принимаем, что коэффициент сопротивления конфузора равен коэффициенту сопротивления на постепенное сжатие (z к = z п.с. ).

Коэффициент сопротивления конфузора z к равен:

z к = k к × z в.с. = k к × , (30.12)

где k к – коэффициент смягчения конфузора.

Коэффициент смягчения конфузора k к учитывает уменьшение коэффициента z в.с. , а следовательно, потерь энергии на конфузоре по сравнению с внезапным сужением при том же соотношении сечений соединяемых труб. Коэффициент k к зависит от углаконусностиконфузораQ .

5. Поворот (рис. 56). В результате искривления потока на вогнутой стороне внутренней поверхности трубы давление больше, чем на выпуклой. В связи с этим в направлении течения создаются различия в скорости, способствующие отрыву потока от стенок. Это приводит сначала к сужению струи, а затем – далее по течению – к её расширению. При этом возникают значительные потери удельной энергии.

При резком повороте трубы, который называется также простым или острым коленом (незакруглённое колено), потери удельной энергии особенно велики. Для гладких стенок труб с круглым и квадратным поперечным сечением при Re > 2´10 5 коэффициент сопротивления поворота z пов. р. зависит только от угла поворота Q .

Рисунок 56 - Поворот

При плавном повороте трубы (закруглённое колено, отвод) вихреобразование уменьшается и потери удельной энергии будут значительно меньше. Коэффициент сопротивления поворота z пов. зависит от угла поворота, а также от отношения радиуса закругления R п к диаметру трубы d и от величины коэффициента гидравлического трения l .

Коэффициент сопротивления при плавном повороте трубопровода на произвольный угол Q определяется по формуле:

z пов. = а × z 90 , (30.13)

где а – справочный коэффициент, зависящий от угла поворота;

z 90 – коэффициент местного сопротивления при плавном повороте трубы на 90 0 .

Коэффициент местного сопротивления при плавном повороте трубы на 90 0 определяют по эмпирической формуле Альтшуля:

z 90 =
, (30.14)

где d – диаметр трубопровода, м;

R п – радиус закругления трубы, м;

l - коэффициент гидравлического трения.

Диффузор (в гидроаэродинамике) — профилированная часть канала (трубы), в которой происходит замедление потока. При этом перепад статических давлений на диффузоре может быть меньше, чем на участке прямой трубы исходного сечения (см. ), т. е. его бывает отрицателен; однако при росте длины при постоянном раскрытия и при увеличении угла раскрытия диффузора может произойти отрыв потока от стенок (вблизи них образуются ), при этом коэффициент сопротивления диффузора очень сильно возрастает .

Существует конструкция, обратная диффузору, называемая конфузор — часть канала, в которой происходит соединение и плавный переход большего сечения в меньшее. Движение воздуха в конфузоре характеризуется тем, что динамическое давление в нём в направлении движения потока увеличивается, а статическое — уменьшается. Увеличивается скорость дозвукового течения жидкости или газа.

Область применения диффузоров

Диффузор применяется в устройствах, в которых осуществляется перемещение жидкостей и газов ( , и др.). В часть механической , предназначенной для возбуждения в окружающем воздухе.

Диффузором в автомобильной промышленности принято считать часть или элемент обвеса (см. ).
Диффузор в

Конфузор

Конструкция, обратная диффузору, называемая конфузор — часть канала, в которой происходит соединение и плавный переход большего сечения в меньшее. Движение воздуха в конфузоре характеризуется тем, что динамическое в нём в направлении движения потока увеличивается, а статическое — уменьшается. Увеличивается течения жидкости или газа.

При круглых воздуховодах конфузор имеет вид усечённого конуса, при квадратных — усечённой пирамиды. Наиболее часто конфузор используют для подсоединения воздуховода к всасывающей стороне , что позволяет уменьшить ζ () (вследствие более плавного сужения воздушного потока и предотвращения и образования ), а следовательно, уменьшить , развиваемого вентилятором.

ζ = λ T 8 sin ⁡ α / 2 (1 − 1 n 2) {\displaystyle \zeta ={\frac {\lambda _{T}}{8\sin {\alpha /2}}}\left(1-{\frac {1}{n^{2}}}\right)} ,

где n = S 1 S 2 {\displaystyle n={\frac {S_{1}}{S_{2}}}} — степень сужения; λ T {\displaystyle \lambda _{T}} — коэффициент потерь на трение по длине при турбулентном режиме.

Течения в диффузоре и конфузоре

В конфузоре с небольшим углом раскрытия повышенного обычно не возникает, жидкость меняет направление плавно, и потери давления в основном связаны с ростом скорости. При росте угла раскрытия конфузор превращается во внезапное сужение, образуются застойные зоны с вихрями.