Зависимость между перепадом давления и расходом
Распределение касательных напряжений.
Ламинарное течение в каналах круглого сечения.
( Течение Пуазейля-Гагена ).
Здесь p1 и р2 - давления в сечениях 1 и 2.
Как уже указывалось, установившееся течение вязкой несжимаемой жидкости описывается уравнением Эйлера:
где -оператор Лапласа.
При рассмотрении ламинарного течения используются следующие допущения:
1. Течение - осесимметричное
Таким образом, можно рассматривать уравнение Навье-Стокса только в проекциях на ось Х:
2. Течение - установившееся
3. Силы тяжести - отсутствуют
Из 2-го и 3-го допущений следует:
4. Труба постоянного сечения
С учетом 4-го допущения в окончательном виде уравнение Навье-Стокса для установившегося осесимметричного течения можно записать:
Для осесимметричного течения , что следует из рис.
и следовательно - не зависит от х.
Таким образом, можно записать:
Здесь знак «-» потому, что давление уменьшается.
Таким образом, можно записать:
Или после преобразования:
Теперь дважды интегрируя данное уравнение можем получить зависимость для распределения скорости по живому сечению потока.
Окончательно получаем:
Из полученного уравнения следует, что закон распределения скорости по живому сечению имеет параболический характер.
Из полученного уравнения следует, что максиальное значение скорость имеет в центре живого сечения потока:
При r=0:
Воспользуемся законом Ньютона для касательных напряжений, тогда:
Отсюда следует, что касательное напряжение - имеет линейный закон распределения.
Графически распределение касательных напряжений по сечению потока показано на рис.
Рис. 3.6
Из рис. 3.6 следует, что площадь элементарного кольцевого сечения определяется по следующей зависимости:
где:
Расход жидкости через живое сечение потока можно найти интегрируя скорость жидкости по данному сечению:
Учитывая, что R=d/2получаем так называемую формулу Пуазейля-Гагена для трубы круглого сечения расход определиться как:
Связь между расходом Q и перепадом давления при ламинарном течении имеет линейный характер.
Тогда средняя скорость по сечению:
Как уже указывалось максимальное значение скорости рассчитывается по зависимости:
при r=0:
Сравнивая полученную зависимость с зависимостью для средней скорости, получаем:
Коэффициент Кориолиса в общем случае равен:
Следовательно, производя подстановку ранее определенных значений, получаем, что коэффициент Кориолиса при расчете течения через кольцевой зазор α=2.
Полученные данные хорошо согласуются с опытными данными за исключением случаев:
- начального участка трубы, где происходит формирование профиля эпюры скоростей,
- течения с теплообменом ,
- течения в капиллярах и зазорах с облитерацией,
- течения при больших перепадах давления.