Статистическое давление. Материал из ТеплоВики - энциклопедия отоплении. Методы измерения давления

В ламинарном потоке сумма статического и динамического давления остается постоянной. Эта сумма соответствует статическому давлению в покоящейся жидкости.

Сумма статического и динамического давления называется полным давлением потока. При увеличении скорости потока динамическая составляющая полного давления возрастает, а статическая уменьшается (см. рис.4). В покоящемся потоке динамическое давление равно нулю, а полное давление равно статическому.

р

р о

статическое

давление

динамическое

давление

ИЗМЕРЕНИЕ ДАВЛЕНИЯ В ПОТОКЕ

• Статическое давление измеряется р ст

манометром, установленным

перпендикулярно направлению

потока (в простейшем случае –

открытым жидкостным манометром

• Полное давление измеряется манометром, р полн

Установленням паралельно направлению

потока (трубка Пито)

разностью полного и статического

давления и измеряется комбинацией р дин

предыдущих приборов, которая называется

трубкой Прандтля.

ПРИМЕНЕНИЕ ЗАКОНА БЕРНУЛЛИ

В мореплавании.

Во время движения судов параллельными курсами при сближении в случае нарушения скоростного режима существует возможность столкновения. Почему? Обратимся к рис.4.9. На нем изображены два судна, движущиеся параллельными курсами

Рис.4.9

υ 1 υ 2 υ 1

р 1 р 2 р 1 υ 2 >υ 1

р 2 <р 1

в одном направлении. Каждое из них носом разрезает воду на два потока. Та вода, которая оказывается между судами, попадая в «узкость», вынуждена проскакивать по ней со скоростью υ 2 , бóльшей, чем скорость потока υ 1 с внешней стороны судов. Следовательно, согласно закону Бернулли, давление воды между судами р 1 окажется меньше давления воды р 2 с внешней стороны. При наличии разницы давлений движение осуществляется из зоны более высокого давления в зону более низкого давления – природа не терпит пустоты! – следовательно, оба судна устремятся друг к другу (направление указано стрелками). Если в данной ситуации будет нарушено соответствие между дистанцией сближения и скоростью хода, то существует опасность столкновения – так называемое «присасывание» судов. Если суда движутся параллельными, но встречными курсами, эффект «присасывания» тоже имеет место. Поэтому при сближении судов правила мореплавания требуют сбрасывания скорости хода до оптимального значения.

При движении судна по мелководью ситуация складывается аналогично (см. рис.4.10). Вода под днищем судна оказывается в «узкости», скорость потока

Рис.4.10

υ 1 ,p 1 υ 1 , p 1 υ 2 > υ 1

υ 2, р 2 р 2 < p 1

увеличивается, давление под судном уменьшается – судно как бы притягивается ко дну. Во избежание возможности сесть на мель, необходимо сбросить скорость хода, чтобы минимизировать этот эффект.

В авиации.

Знание и использование закона Бернулли позволило создать летательные аппараты

тяжелее воздуха – это самолеты, аэропланы, вертолеты, автожиры (малые легкие вертолеты). Дело в том, что сечение крыла или лопасти этих машин имеет так называемый аэродинамический профиль , вызывающий появление подъемной силы (см. рис.4.11). Достигается это следующим образом. Все дело в «каплевидной» форме аэродинамического профиля. Опыт показывает, что когда крыло помещено в поток воздуха, вблизи задней кромки крыла возникают вихри, вращающиеся в случае, изображенном на рис.4.11, против часовой стрелки. Вихри эти растут, отрываются от крыла и уносятся потоком. Остальная масса воздуха вблизи крыла получает при этом противоположное вращение – по часовой стрелке – образуя циркуляцию около крыла (на рис.4.11 эта циркуляция изображена пунктирной замкнутой линией). Наклдываясь на общий поток, циркуляция слегка тормозит поток воздуха под крылом и слегка ускоряет поток воздуха над крылом. Таким образом, над крылом образовывается зона более низкого, чем под крылом, давления, что и приводит к возникновению подъемной силы F п , направленной вертикально вверх. Кроме нее, в результате движения самолета на крыло

Рис.4.11

направление движения самолета

υ 2 , р 2 υ 2 > υ 1

действуют еще три силы: 1). Сила тяжести G , 2). Сила тяги двигателей самолета F т ,

3). Сила лобового сопротивления воздуха F с . При геометрическом сложении всех четырех сил получается равнодействующая сила F, которая и определяет направление движения самолета.

Чем больше скорость набегающего потока (а она зависит от силы тяги двигателей), тем больше скорость и подъемная сила, и сила лобового сопротивления. Эти силы зависят, кроме того, и от формы профиля крыла, и от угла, под которым поток набегает на крыло (так называемый угол атаки), а также от плотности набегающего потока: чем больше плотность, тем больше эти силы.

Профиль крыла выбирают так, чтобы оно давало возможно бóльшую подъемную силу при возможно меньшем лобовом сопротивлении. Теория возникновения подъемной силы крыла при обтекании потоком воздуха была дана основоположником теории авиации, основателем российской школы аэро- и гидродинамики Николаем Егоровичем Жуковским (1847-1921).

Самолеты, рассчитанные на полет с различной скоростью, имеют различные размеры крыльев. Медленно летящие транспортные самолеты должны иметь большую площадь крыльев, т.к. при малой скорости подъемная сила, приходящаяся на единицу площади крыла, невелика. Скоростные же самолеты получают достаточную подъемную силу и от крыльев малой площади.

Т.к. подъемная сила крыла уменьшается при уменьшении плотности воздуха, то для полета на большой высоте самолет должен двигаться с большей скоростью, чем вблизи земли.

Подъемная сила возникает и в том случае, когда крыло движется в воде. Это дает возможность строить суда на подводных крыльях. Корпус таких судов во время движения выходит из воды – это уменьшает сопротивление воды и позволяет достичь большой скорости хода. Т.к. плотность воды во много раз больше плотности воздуха, то можно получить достаточную подъемную силу подводного крыла при сравнительно малой его площади и умеренной скорости.

Существует тип летательных аппаратов тяжелее воздуха, для которого крылья не нужны. Это – вертолеты. Лопасти вертолета тоже имеют аэродинамический профиль. Винт создает вертикальную тягу независимо от того, движется вертолет или нет – поэтому при работе воздушных винтов вертолет может неподвижно висеть в воздухе или подниматься по вертикали. Для горизонтального перемещения вертолета необходимо создать горизонтальную тягу. Это достигается путем изменения угла наклона лопастей, что выполняется при помощи специального механизма во втулке винта. (Небольшой винт с горизонтальной осью на хвосте вертолета служит лишь для того, чтобы корпус вертолета не стал вращаться в сторону, обратную вращению большого винта.)

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ МЕДИЦИНСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ г. СЕМЕЙ

Методическое пособие по теме:

Исследование реологических свойств биологических жидкостей.

Методы исследования кровообращения.

Реография.

Составитель: Преподаватель

Ковалева Л.В.

Основные вопросы темы:

1. Уравнение Бернулли. Статическое и динамическое давления.
2. Реологические свойства крови. Вязкость.
3. Формула Ньютона.
4. Число Рейнольдса.
5. Ньютоновская и Неньютоновская жидкость
6. Ламинарное течение.
7. Турбулентное течение.
8. Определение вязкости крови с помощью медицинского вискозиметра.
9. Закон Пуазейля.
10. Определение скорости кровотока.
11. Полное сопротивление тканей организма. Физические основы реографии. Реоэнцефалография
12. Физические основы баллистокардиографии.

Уравнение Бернулли. Статическое и динамическое давления.

Идеальной называется несжимаемая и не имеющая внутреннего трения, или вязкости; стационарным или установившимся называется течение, при котором скорости частиц жидкости в каждой точке потока со временем не изменяются. Установившееся течение характеризуют линиями тока - воображаемыми линиями, совпадающими с траекториями частиц. Часть потока жидкости, ограниченная со всех сторон линиями тока, образует трубку тока или струю. Выделим трубку тока настолько узкую, что скорости частиц V в любом ее сечении S, перпендикулярном оси трубки, можно считать одинаковыми по всему сечению. Тогда объем жидкости, протекающий через любое сечение трубки в единицу времени остается постоянным, так как движение частиц в жидкости происходит только вдоль оси трубки: . Это соотношение назы­вается условием неразрывности струи. Отсюда следует, что и для реальной жидкости при установившемся течении по трубе переменного сечения количество Qжидкости, проте­кающее в единицу времени через любое сечение трубы, остается по­стоянным (Q = const) и средние скорости течения в различных сече­ниях трубы обратно пропорциональны площадям этих сечений: и т. д.

Выделим в потоке идеальной жидкости трубку тока, а в ней - достаточно малый объем жидкости массой , который при тече­нии жидкости перемещается из положения А в положение В.

Из-за малости объема можно считать, что все частицы жидкости в нем находятся в равных условиях: в положе­нии А имеют давление скорость и находятся на высоте h 1 от нуле­вого уровня; в положении В - соот­ветственно . Сечения трубки тока соответственно S 1 и S 2 .

Жидкость, находящаяся под дав­лением, обладает внутренней потен­циальной энергией (энергией давле­ния), за счет которой она может совершать работу. Этаэнергия W p измеряется произведением давления на объем V жидкости: . В данном случае перемещение массы жидкости происходит под действием разности сил давления в се­чениях Si и S 2 . Совершаемая при этом работа А р равняется разности по­тенциальных энергий давления в точках . Эта работа расходуется на работу по преодолению действия силы тяжес­ти и на изменение кинетической энергии массы

Жидкости:

Следовательно, А р = A h + A D

Перегруппировав члены уравнения, получим

Положения А и В выбраны произвольно, поэтому можно утверждать, что в любом месте вдоль трубки тока сохраняется условие

разделив это уравнение на , получим

где - плотность жидкости.

Это и есть уравнение Бернулли. Все члены уравнения, как легко убедиться, имеют размерность давления и называются: статистическим: гидростатическим: - динамическим. Тогда уравнение Бернулли можно сформулировать так:

при стационарном течении идеальной жидкости полное давление равное сумме статического, гидростатического и динамического давлений, остается величиной постоянной в любом поперечном сечении потока.

Для горизонтальной трубки тока гидростатическое давление ос­тается постоянным и может быть отнесено в правую часть уравнения, которое при этом принимает вид

статистическое давление обусловливает потенциальную энергию жидкос­ти (энергию давления), динамическое давление - кинетическую.

Из этого уравнения следует вывод, называемый правилом Бернулли:

статическое давление невязкой жидкости при течении по горизон­тальной трубе возрастает там, где скорость ее уменьшается, и на­оборот.

In order to provide you with the best online experience this website uses cookies. Delete cookies

In order to provide you with the best online experience this website uses cookies.

By using our website, you agree to our use of cookies.

Information cookies

Cookies are short reports that are sent and stored on the hard drive of the user"s computer through your browser when it connects to a web. Cookies can be used to collect and store user data while connected to provide you the requested services and sometimes tend not to keep. Cookies can be themselves or others.

There are several types of cookies:

• Technical cookies that facilitate user navigation and use of the various options or services offered by the web as identify the session, allow access to certain areas, facilitate orders, purchases, filling out forms, registration, security, facilitating functionalities (videos, social networks, etc..).
• Customization cookies that allow users to access services according to their preferences (language, browser, configuration, etc..).
• Analytical cookies which allow anonymous analysis of the behavior of web users and allow to measure user activity and develop navigation profiles in order to improve the websites.

So when you access our website, in compliance with Article 22 of Law 34/2002 of the Information Society Services, in the analytical cookies treatment, we have requested your consent to their use. All of this is to improve our services. We use Google Analytics to collect anonymous statistical information such as the number of visitors to our site. Cookies added by Google Analytics are governed by the privacy policies of Google Analytics. If you want you can disable cookies from Google Analytics.

However, please note that you can enable or disable cookies by following the instructions of your browser.

Комментариев:

Основой проектирования любых инженерных сетей является расчет. Для того чтобы правильно сконструировать сеть приточных или вытяжных воздуховодов, необходимо знать параметры воздушного потока. В частности, требуется рассчитать скорость потока и потери давления в канале для правильного подбора мощности вентилятора.

В этом расчете немаловажную роль играет такой параметр, как динамическое давление на стенки воздуховода.

Поведение среды внутри воздухопровода

Вентилятор, создающий воздушный поток в приточном или вытяжном воздуховоде, сообщает этому потоку потенциальную энергию. В процессе движения в ограниченном пространстве трубы потенциальная энергия воздуха частично переходит в кинетическую. Этот процесс происходит в результате воздействия потока на стенки канала и называется динамическим давлением.

Кроме него существует и статическое давление, это воздействие молекул воздуха друг на друга в потоке, оно отражает его потенциальную энергию. Кинетическую энергию потока отражает показатель динамического воздействия, именно поэтому данный параметр участвует в расчетах .

При постоянном расходе воздуха сумма этих двух параметров постоянна и называется полным давлением. Оно может выражаться в абсолютных и относительных единицах. Точкой отсчета для абсолютного давления является полный вакуум, в то время как относительное считается начиная от атмосферного, то есть разница между ними — 1 Атм. Как правило, при расчете всех трубопроводов используется величина относительного (избыточного) воздействия.

Вернуться к оглавлению

Физический смысл параметра

Если рассмотреть прямые отрезки воздуховодов, сечения которых уменьшаются при постоянном расходе воздуха, то будет наблюдаться увеличение скорости потока. При этом динамическое давление в воздуховодах будет расти, а статическое — снижаться, величина полного воздействия останется неизменной. Соответственно, для прохождения потока через такое сужение (конфузор) ему следует изначально сообщить необходимое количество энергии, в противном случае может уменьшиться расход, что недопустимо. Рассчитав величину динамического воздействия, можно узнать количество потерь в этом конфузоре и правильно подобрать мощность вентиляционной установки.

Обратный процесс произойдет в случае увеличения сечения канала при постоянном расходе (диффузор). Скорость и динамическое воздействие начнут уменьшаться, кинетическая энергия потока перейдет в потенциальную. Если напор, развиваемый вентилятором, слишком велик, расход на участке и во всей системе может вырасти.

В зависимости от сложности схемы, вентиляционные системы имеют множество поворотов, тройников, сужений, клапанов и прочих элементов, называемых местными сопротивлениями. Динамическое воздействие в этих элементах возрастает в зависимости от угла атаки потока на внутреннюю стенку трубы. Некоторые детали систем вызывают значительное увеличение этого параметра, например, противопожарные клапаны, в которых на пути потока установлены одна или несколько заслонок. Это создает повышенное сопротивление потоку на участке, которое необходимо учитывать в расчете. Поэтому во всех вышеперечисленных случаях нужно знать величину динамического давления в канале.

Вернуться к оглавлению

Расчеты параметра по формулам

На прямом участке скорость движения воздуха в воздуховоде неизменна, постоянной остается и величина динамического воздействия. Последняя рассчитывается по формуле:

Рд = v2γ / 2g

В этой формуле:

• Рд — динамическое давление в кгс/м2;
• V — скорость движения воздуха в м/с;
• γ — удельная масса воздуха на этом участке, кг/м3;
• g — ускорение силы тяжести, равное 9.81 м/с2.

Получить значение динамического давления можно и в других единицах, в Паскалях. Для этого существует другая разновидность этой формулы:

Рд = ρ(v2 / 2)

Здесь ρ — плотность воздуха, кг/м3. Поскольку в вентиляционных системах нет условий для сжатия воздушной среды до такой степени, чтобы изменилась ее плотность, она принимается постоянной — 1.2 кг/м3.

Далее, следует рассмотреть, как участвует величина динамического воздействия в расчете каналов. Смысл этого расчета — определить потери во всей системе приточной либо вытяжной вентиляции для подбора напора вентилятора, его конструкции и мощности двигателя. Расчет потерь происходит в два этапа: сначала определяются потери на трение о стенки канала, потом высчитывается падение мощности воздушного потока в местных сопротивлениях. Параметр динамического давления участвует в расчете на обоих этапах.

Сопротивление трению на 1 м круглого канала рассчитывается по формуле:

R = (λ / d) Рд, где:

• Рд — динамическое давление в кгс/м2 или Па;
• λ — коэффициент сопротивления трению;
• d — диаметр воздуховода в метрах.

Потери на трение определяются отдельно для каждого участка с различными диаметрами и расходами. Полученное значение R умножают на общую длину каналов расчетного диаметра, прибавляют потери на местных сопротивлениях и получают общее значение для всей системы:

HB = ∑(Rl + Z)

Здесь параметры:

1. HB (кгс/м2) — общие потери в вентиляционной системе.
2. R — потери на трение на 1 м канала круглого сечения.
3. l (м) — длина участка.
4. Z (кгс/м2) — потери в местных сопротивлениях (отводах, крестовинах, клапанах и так далее).

Вернуться к оглавлению

Определение параметров местных сопротивлений вентиляционной системы

В определении параметра Z также принимает участие величина динамического воздействия. Разница с прямым участком заключается в том, что в разных элементах системы поток меняет свое направление, разветвляется, сходится. При этом среда взаимодействует с внутренними стенками канала не по касательной, а под разными углами. Чтобы это учесть, в расчетную формулу можно ввести тригонометрическую функцию, но тут есть масса сложностей. Например, при прохождении простого отвода 90⁰ воздух поворачивает и нажимает на внутреннюю стенку как минимум под тремя разными углами (зависит от конструкции отвода). В системе воздуховодов присутствует масса более сложных элементов, как рассчитать потери в них? Для этого существует формула:

1. Z = ∑ξ Рд.

Для того чтобы упростить процесс расчета, в формулу введен безразмерный коэффициент местного сопротивления. Для каждого элемента вентиляционной системы он разный и является справочной величиной. Значения коэффициентов были получены расчетами либо опытным путем. Многие заводы-производители, выпускающие вентиляционное оборудование, проводят собственные аэродинамические исследования и расчеты изделий. Их результаты, в том числе и коэффициент местного сопротивления элемента (например, противопожарного клапана), вносят в паспорт изделия или размещают в технической документации на своем сайте.

Для упрощения процесса вычисления потерь вентиляционных воздуховодов все значения динамического воздействия для разных скоростей также просчитаны и сведены в таблицы, из которых их можно просто выбирать и вставлять в формулы. В Таблице 1 приведены некоторые значения при самых применяемых на практике скоростях движения воздуха в воздуховодах.

Самолет, находящийся в неподвижном или подвижном относительно него воздушном потоке, испытывает со стороны последнего давление, в первом случае (когда воздушный поток неподвижен) - это статическое давление и во втором случае (когда воздушный поток подвижен) - это динамическое давление, оно чаще называется скоростным напором. Статическое давление в струйке аналогично давлению покоящейся жидкости (вода, газ). Например: вода в трубе, она может находиться в состоянии покоя или движения, в обоих случаях стенки трубы испытывают давление со стороны воды. В случае движения воды давление будет несколько меньше, так как появился скоростной напор.

Согласно закону сохранения энергии, энергия струйки воздушного потока в различных сечениях струйки воздуха есть сумма кинетической энергии потока, потенциальной энергии сил давления, внутренней энергии потока и энергии положения тела. Эта сумма - величина постоянная:

Е кин +Е р +Е вн +Е п =сопst (1.10)

Кинетическая энергия (Е кин) - способность движущегося воздушного потока совершать работу. Она равна

где m - масса воздуха, кгс с 2 м; V -скорость воздушного потока, м/с. Если вместо массы m подставить массовую плотность воздуха р , то получим формулу для определения скоростного напора q (в кгс/м 2)

Потенциальная энергия Е р - способность воздушного потока совершать работу под действием статических сил давления. Она равна (в кгс-м)

E p =PFS, (1.13)

где Р - давление воздуха, кгс/м 2 ; F - площадь поперечного сечения струйки воздушного потока, м 2 ; S - путь, пройденный 1 кг воздуха через данное сечение, м; произведение SF называется удельным объемом и обозначается v , подставляя значение удельного объема воздуха в формулу (1.13), получим

E p =Pv. (1.14)

Внутренняя энергия Е вн - это способность газа совершать работу при изменении его температуры:

где Cv - теплоемкость воздуха при неизменном объеме, кал/кг-град; Т - температура по шкале Кельвина, К; А - термический эквивалент механической работы (кал-кг-м).

Из уравнения видно, что внутренняя энергия воздушного потока прямо пропорциональна его температуре.

Энергия положенияEn - способность воздуха совершать работу при изменении положения центра тяжести данной массы воздуха при подъеме на определенную высоту и равна

En=mh (1.16)

где h - изменение высоты, м.

Ввиду мизерно малых значений разноса центров тяжести масс воздуха по высоте в струйке воздушного потока этой энергией в аэродинамике пренебрегают.

Рассматривая во взаимосвязи все виды энергии применительно к определенным условиям, можно сформулировать закон Бернулли, который устанавливает связь между статическим давлением в струйке воздушного потока и скоростным напором.

Рассмотрим трубу (Рис. 10) переменного диаметра (1, 2, 3), в которой движется воздушный поток. Для измерения давления в рассматриваемых сечениях используют манометры. Анализируя показания манометров, можно сделать заключение, что наименьшее динамическое давление показывает манометр сечения 3-3. Значит, при сужении трубы увеличивается скорость воздушного потока и давление падает.

Рис. 10 Объяснение закона Бернулли

Причиной падения давления является то, что воздушный поток не производит никакой работы (трение не учитываем) и поэтому полная энергия воздушного потока остается постоянной. Если считать температуру, плотность и объем воздушного потока в различных сечениях постоянными (T 1 =T 2 =T 3 ;р 1 =р 2 =р 3 , V1=V2=V3), то внутреннюю энергию можно не рассматривать.

Значит, в данном случае возможен переход кинетической энергии воздушного потока в потенциальную и наоборот.

Когда скорость воздушного потока увеличивается, то увеличивается и скоростной напор и соответственно кинетическая энергия данного воздушного потока.

Подставим значения из формул (1.11), (1.12), (1.13), (1.14), (1.15) в формулу (1.10), учитывая, что внутренней энергией и энергией положения мы пренебрегаем, преобразуя уравнение (1.10), получим

(1.17)

Это уравнение для любого сечения струйки воздуха пишется следующим образом:

Такой вид уравнения является самым простым математическим уравнением Бернулли и показывает, что сумма статического и динамического давлений для любого сечения струйки установившегося воздушного потока есть величина постоянная. Сжимаемость в данном случае не учитывается. При учете сжимаемости вносятся соответствующие поправки.

Для наглядности закона Бернулли можно провести опыт. Взять два листка бумаги, держа параллельно друг другу на небольшом расстоянии, подуть в промежуток между ними.

Рис. 11 Измерение скорости воздушного потока

Листы сближаются. Причиной их сближения является то, что с внешней стороны листов давление атмосферное, а в промежутке между ними вследствие наличия скоростного напора воздуха давление уменьшилось и стало меньше атмосферного. Под действием разности давлений листки бумаги прогибаются вовнутрь.