Новости

Jul 17, 2023

Демистификация турбулентности жидкости, измерения скорости и расхода

Один из давних философских вопросов жизни — гаснет ли свет в холодильнике при закрытии двери. Для инженеров-технологов еще более глубокий вопрос связан с знанием того, что

Один из давних философских вопросов жизни — гаснет ли свет в холодильнике при закрытии двери. Для инженеров-технологов еще более глубокий вопрос связан с знанием того, что происходит внутри труб. Как и в случае с холодильником, сложно заглянуть внутрь и найти ответ. Поведение жидкостей при их перетекании с места на место вызвало большой ужас и до сих пор остается загадкой для многих.

Легко представить жидкость, текущую по трубе, как однородный столб, но мы знаем, что это совсем не так. Характеристики или особенности трубопровода обуславливают диапазон скоростей по трубе. Основной источник – трение. Хотя может показаться, что сопротивление потоку невелико, это важный момент. Даже в прямой трубе с гладкой внутренней частью жидкость, ближайшая к стенке, движется медленнее всего, поскольку она трётся о стенку трубы. Следующий слой замедляется самым внешним и так далее. В результате жидкость в центре трубы движется быстрее всего (рис. 1). Это описание ламинарного потока, при котором сохраняются отдельные слои. В условиях турбулентного потока, который возникает при более высоких скоростях, вихри и водовороты вызывают перемешивание этих слоев по мере движения жидкости по трубе. Если мы говорим о скорости жидкости в трубе, мы описываем среднее значение так, как будто оно движется как совершенно однородный столб, но это не так.

Ламинарный поток наиболее эффективен с точки зрения чистых потерь энергии; однако это не тот режим потока, который можно реально поддерживать в технологических трубопроводах, поскольку размеры трубопроводов должны быть очень большими по сравнению с расходом. Турбулентное течение встречается во всех потоках жидкости, кроме наиболее вязких. Турбулентный поток, возникающий в результате более высоких скоростей потока, не следует путать с возмущениями потока, которые добавляют к потоку градиент скорости. Это может быть вызвано конфигурациями трубопроводов, такими как колена и клапаны.

Рисунок 1: Ламинарный поток на самом деле представляет собой распределение скорости с самой быстро движущейся жидкостью в центре.

Нарушения потока присущи трубопроводным системам из-за необходимости, среди прочего, изменять направление (колена), регулировать поток (клапаны) и проводить измерения (защитные гильзы). Правильное проектирование и признание этих нарушений имеют решающее значение для обеспечения того, чтобы весь процесс соответствовал ожиданиям. Помехи в трубопроводе могут иметь множество источников:

Существует множество уравнений для расчета всевозможных величин, связанных с потоком и трубопроводами, которые сейчас используются в основном для пыток студентов-инженеров, поскольку инструменты программного обеспечения для измерения и моделирования теперь справляются с большинством этих задач. В реальном мире цель обычно состоит в том, чтобы свести к минимуму возмущения потока, то есть избегать создания их источников, где это возможно. Некоторые устройства особенно чувствительны к турбулентности, например, вход центробежного насоса, многие типы распылительных форсунок и большинство типов расходомеров. Решением всех этих проблем является использование прямой трубы некоторой длины (часто в сочетании с выпрямителем потока) перед устройством, а иногда и после него. Давайте подумаем, как это работает.

Не вдаваясь слишком глубоко в математику, отметим, что две основные переменные, влияющие на режим потока, — это диаметр трубы и скорость жидкости. Аспект диаметра трубы концептуализировать нетрудно. По мере увеличения диаметра столба жидкости увеличивается и сложность профиля скорости, поэтому требования к прямым трубам выражаются через диаметры труб.

Скорость жидкости также является важным фактором, но обычно она принимается в значительной степени. Чем медленнее жидкость движется по трубе, тем резче профиль потока. Опять же, это несложно представить: медленно движущаяся жидкость создает меньшую турбулентность, что приводит к большему несоответствию скорости жидкости рядом со стенкой трубы по сравнению с центром трубы. Скорость, как правило, игнорируется в этих обсуждениях, поскольку обычно она соответствует рекомендациям по диаметрам труб, необходимым для обработки объемов потока в зависимости от скорости. Одно практическое правило для жидкостей требует скорости менее 7 футов в секунду (fps) для труб среднего размера. Для меньших диаметров, например, менее 1 дюйма, требуется более низкая скорость.