HYDRAULIQUE EN GENERAL
Автор: Olivier Bauchet
Источник:http://www.hydroroues.fr/hydraulique.htm
Автор: Olivier Bauchet
Источник:http://www.hydroroues.fr/hydraulique.htm
Olivier Bauchet HYDRAULIQUE EN GENERALИстория развития и физическое обоснование работы гидроагрегатов
Гидроэнергетика является одним из старейших цивилизации человеческой деятельности, так как контроль всех видов водопользования. С древних времен, мы находим следы гидротехнических сооружений (канализация каналов в долине Нила, 4000 лет до нашей эры). Но вплоть до эпохи Возрождения и разъяснение основных принципов механики, эта деятельность не осталась искусство без научной основы. Это не помешало древние строители построить замечательные произведения, такие как водопроводы или под руководством Людовика XIV в Версале, знаменитый Марли машины. Последующее развитие воды основано главным образом на совершенствование математического аппарата и понятий механики, которые принимали широкий качели в семнадцатом веке. Паскаль (1623-1662) и принес важный вклад в гидравлической придав окончательную форму теории гидростатического. Даниил Бернулли (1700-1782) в своей книге гидродинамика, рецензии Самые гидравлические проблемы своего времени. Он был ответственен за знаменитую "Бернулли" постоянно используется в этой науке. Семнадцатого до двадцатого века, развитие водой, затем сопровождается общим прогрессом науки и техники, с мастерским вклад Леонарда Эйлера (1707-1783), Луи Лагранж (1736-1813), Пьер дю Buat (1734 -1809), Жан-Луи Мари Пуазейля (1799-1869), Адемар Барре де Сен-Венана (1797-1886), Уильям Фруда (1818-1879), Анри Навье (1785-1836), Джозеф Буссинеска (1842-1929) Осборн Рейнольдс (1842-1912), чтобы назвать несколько из главных основателей современной гидравлики.
Эта наука в настоящее время расширяет свои границы за пределы своей традиционной области. Гидравлические исследования широко развиты в промышленных и научных лабораториях. Традиционные инструменты, такие как тестирование модели, были добавлены методы цифрового компьютерного моделирования, а также возможности электроники и микроэлектроники, которые развиваются и обрабатывать большее количество экспериментальными данными. Гидравлические поэтому адресует все более сложных областях, среди которых включают в себя подробное изучение поверхностных волн (приливов, волн, разбивающихся, и т.д..), Определение трехмерного поля скоростей (впадает в танках ядерные реакторы), турбулентность многофазных потоков (переноса и осаждения взвешенных твердых частиц).
Гидравлика, то есть наука о потоке воды, или в более общем жидкостей, используется во многих областях, наиболее часто в сочетании с другими методами (сопротивление материалов, механики грунтов, геологии, метеорологии и т.д.) ..
ГЭС: с углем гидро сыграл важную роль в промышленной революции в конце девятнадцатого века. Энергетический кризис может быть преодолен путем разработки и трех ключевых природных ресурсов: угля, атомной и гидроэнергии. Последний имеет то преимущество, что полностью возобновляемым источникам энергии. Считается, что его вклад в глобальном энергетическом балансе составит 3000 млрд. кВт-ч в 2000 году, это увеличение реализуется, в основном, в странах Африки и Южной Америки. Гидроэлектростанций представляют различные проблемы с гидравликой. Они касаются баланса спроса или слить водозаборы, дамбы, арматура, трубы и галерей, дымовые трубы, водосливы, и т.д..
Речная гидравлика занимается изучение потоков паводковых вод и защиты от наводнений (некоторые реки, как Ганг в Амазонке, все же полностью вне контроля человека и продолжают бросать вызов технического ). Он участвует в исследовании судоходных каналов, рек для калибровки берегоукрепительные и поддержания судоходного канала, изучение трудов внутренних водных путей (плотины, шлюзы).
Морская гидравлика должна учитывать необходимость защиты портов против волн, исследовать устойчивости дамб и пристаней, борьба с эрозией пляжей, заиление вход в гавань, заиление прудов, исследование приливных течений
Городская вода для водоснабжения городов и утилизации сточных вод. Она требует решить многие проблемы, начиная от воды поиск воды (колодцы, водосборные бассейны, реки приняты и т.д. .) к водоснабжению (труб, акведуков, каналов), очистка и очистка воды, распределение воды (насосные станции, количества), эвакуация (сетей сточных вод) и очистки сточных вод.
AWM - обеспечить водой для сельскохозяйственных культур и включать исследования и поглощение воды (см. выше), хранение (плотин для орошения), распространение (каналов, насосных, измерения ), его использование (стоки, распыление, наводнение ...), и регулировать уровень грунтовых вод (дренаж, стержни).
Подземные воды является частью большей площади, установленной Генеральной исследования жидкостей в пористых средах. Многочисленные приложения. К ним относятся: потока подземных вод, водного баланса, изучение колодцев и скважин, проникновение в работах, стабильность земляных плотин, ирригации и дренажа, загрязнения диффузии в грунтовые воды.
Гидравлический контроль: это метод для передачи энергии с помощью жидкости, которая называется "гидравлической жидкости" (гидравлические тормоза, гидравлические сервоуправления, и т.д..). Гидравлические вмешивается в расчете потерь в трубопроводах, но проблемы в основном технологический характер (распространение, масляные насосы, и т.д..).
Законы механики твердого тела получаются интегрированием объема, занимаемый телом по законам механики материальной точки. Аналогичным образом, законы гидравлики, используемые на практике инженерами, получаются интегрированием точно или приближенно образом закона, описывающие движение малого элемента объема жидкости. В то время как в твердой метерии относительное положение различных материалов указывает, что твердый компонент является фиксированным, в жидкости, в каждом элементе объема дано движение, которое отличается от соседних элементов, так что жидкость может быть деформирована. Взаимодействие в результате этих относительных перемещений называются поверхностные силы, когда давление силы, действующие в направлении, нормальном к поверхности считается, и когда сила трения действует по касательной к поверхности. Гидравлические силы трения на единицу площади, то есть, сдвиговые напряжения пропорциональны скорости деформации: t = Ndv/dn
N - коэффициент пропорциональности, называется коэффициентом динамической вязкости.
Чтобы решить задачу гидравлики нужно чаще всего ответить на вопрос: что будет в данном пространстве, занимаемом движущейся жидкости? Этот метод обеспечивает разрешение, в точке Р (х, у, г) любой области, занятой жидкостью, вектор скорости V (P, T) компоненты U, V, W и давление р (Р, Т) .
Четыре основные уравнения, используемые в гидравлике, определены четырьмя неизвестными U, V, W и P. Задаются условия непрерывности (для скалярного уравнения сохранения массы) и принцип сохранения количества движения (вектор уравнения).
При правильном указании граничные условия должны быть выполнены (условие свободной поверхности потока условий вдоль сплошной стеной, и т.д..) Достигается в некоторых случаях для получения специальных общих уравнений описанных выше решений. Самый мощный подход для численного решения систем уравнений с частными производными методами, которые используют конечные дискретизации разностей или конечных элементов и опираясь на возможности и вычислительные скорости все больше компьютеров использовать алгоритмы очень эффективное решение. Если дифференциальное уравнение движения интегрирован вдоль линии (С) или объема (D), то можно получить общее соотношение между двумя неизвестными, скорость V и давления р. В случае движения идеальной жидкости (то есть, лишенной вязкости), безвихревой (который никакие частицы не оживленные элементарной ротации) и постоянные (не зависящие от времени), то это отношения принимает следующий простой вид:
V * V / 2 * г + п / RG + Z = постоянная
Эта зависимость известна как уравение Бернулли. Оно выражает общее количество энергии на единицу массы жидкости инвариантной (в отсутствии механизма диссипации) и может принимать различные формы: потенциальная энергия (г), энергия давления (P / RG) и кинетическая энергия (V2 / 2 г), при всех возможных переводов между этих трех форм, но постоянный общую производительность. Применение уравнение Бернулли крайне многочисленны в гидравлике. Выведем формулу непосредственно уравнения Торричелли V = H 2g давая расхода через отверстие на глубине H. Устройство Вентури для измерения расхода в трубопроводах также непосредственное применение уравнение Бернулли, в качестве диффузоров, расположенный на выходе из турбины для восстановления кинетической энергии.
Другая фундаментальная теорема является чрезвычайно важной теоремы гидравлического импульса, или теоремы Эйлера. Чтобы применить теорему импульс жидкости в постоянном движении, мы выбираем замкнутую поверхность ссылки (S), и что скорость записи импульса (массовый расход Z), оставляя (S) равна Сумма внешних сил, действующих на жидкость, содержащуюся в (S). Среди типичных применениях этой теоремы включать в себя вычисление силы, действующей со струей на препятствие (F = DSR), определение коэффициента сжатия открытия в Борда (= 0.5) расчета падения давления из-за внезапного расширения (Н = (V1, V2 _) 2/2G) и т.д..
Вязкость воды низка (при 20 0С, Ns/m2 = 0,001), то часто первый приближении пренебречь силы трения этого результата. Это называется предположение о совершенной жидкости. В некоторых случаях, однако, вязкость имеет первостепенное значение. Соответствующие потоки являются ламинарного потока. Вязкость также преобладает в обрабатываемого потока (поток воды в почву). Можно оценить относительную важность силы вязкости по сравнению с другими силами в игре, вводя безразмерный R, который представляет собой отношение сил инерции к силам вязкости, R называется числом Рейнольдса. Он рассчитывается на основе знания характеристика V скорость потока, L также является характеристикой потока размер и коэффициент динамического м вязкость (или коэффициент кинематической вязкости п): (R = V RO L / му) или Если R значительно ниже, чем критическое значение Rcr = 2200, поток является ламинарным. Вихрей, генерируемых препятствиями и вязких торможение стенах, при контакте которых скорость равна нулю, приходят в основном для создания во флуктуирующей режим течения называется турбулентным. Скоростей и давлений будет колебаться случайным вокруг средних значений. Именно этот тип потока, который наиболее часто встречающихся на практике. Соответствующее число Рейнольдса, что значительно выше критического Rcr значение (обычно на несколько порядков). Промышленная практике же встретить другие типы потоков (двухфазного потока газа и жидкости или твердого вещества и жидкости стратифицированных потоках с плотностью тока и т.д.).. - Потоки потенциальным: потоки происходят из зоны, находятся в равновесии потенциал в области, где нарушения к стенам или препятствиями не чувствую. Получение скорость потенциал (V = град W) и поток безвихревое (Rot = 0 В). Методы исследования потенциальных течений могут быть математические (аналитические функции), или графики (графики Prasil) или аналоговый (rheoelectriques танков). Важные применения ламинарного потока, мы должны упомянуть смазки подшипников и вискозиметрия. - Турбулентных течений: в этих потоках, цены могут быть колебания около своих средних значений. Они не могут быть постоянными в среднем только. В каждый момент времени, то вектором скорости V представляет собой сумму средней скорости и турбулентные колебания _V V (T) усредненные по времени равна нулю. Это колебание трех компонентов Vx, Vy, В.З., которые характеризуются их амплитуды RMS 2 Vx, Vy 2 VZ 2. Турбулентность называется изотропным, если в каждой точке, эти три значения равны. Он называется однородной, если они имеют одинаковое значение во всех точках потока. Вариации во времени из этих компонентов имеют случайный характер. Они могут быть охарактеризованы непрерывный спектр частот, в пределах от нескольких Гц до нескольких тысяч Гц Эти колебания за счет вихрей, размер которых сильно варьирует. Исследование турбулентности и его механизмы генерации уже давно ограничивается экспериментальными аспект, который имеет остатки много трудностей. Поскольку существование мощных компьютеров вектор, используемый для разработки численного моделирования турбулентных течений. Развитие моделей сучки и испытания будут лучше понимать передачу энергии между структурами в различных масштабах.
Поток в пограничном слое вблизи стенки, в том, что скорость равна нулю у стенки создает сильный градиент скорости в зоне называемый граничный слой, который может быть ламинарным или турбулентным, а толщина из которых характеризует Размер районе. Если число Рейнольдса R = V бывший / н вводится, находясь на расстоянии х рассчитывали в нижнем течении потока через плоскую пластину, от передней кромки пластины, размерный анализ показывает толщина пограничного слоя при х должна быть такой, чтобы: D / F = х (R).
Эксперимент и расчет показывает, что если мы начнем от переднего края, пограничного слоя, первоначально ламинарный, турбулентный растет и становится значением R от 105 до 106. Относительная толщина ламинарного пограничного слоя определяется по формуле: D / R_1 х = 5/2. Явления пограничного слоя имеют важное значение в понимании теплообмена между жидкостью и твердыми стенками (теплообменники).
Проблемы потоков в каналах возникают во многих промышленной деятельности (вода, гидроэлектростанций, ирригации, трубопроводы и т.д.) .. Для осуществления скорость Q на определенное расстояние, определяют ходовые качества на экономических расчетов с учетом сила давления жидкости и перепады давления линейно распределенный или локализованы. Потери давления рассчитываются линейно распределенный (в случае круговой прямой трубы) с использованием формулы называется универсальным: H = LV^2/2gD
H: высота потере жидкости течет. V: Средняя скорость потока. D: диаметр трубы. g: ускорение силы тяжести. L: измерение коэффициента без зависимости от числа Рейнольдса потока и шероховатости трубы.
Коэффициент потери могут быть рассчитаны с использованием эмпирических формул или определяется с использованием Moody схеме. Течения в каналах или реку свободной поверхности. Движущей силой потока тяжести. Соответствии с их характеристиками, есть однородный поток, постепенно изменяется и быстро изменяться. - Унифицированный течет. Характеристики потока (проект, смоченная поверхность, смоченный периметр, и т.д..) Не меняются от одного участка к другому. Свободная поверхность имеет тот же наклон, что и фон я. Падение давления на расстоянии L H Н = Li. Рассчитывается путем эмпирических формул, таких как формула Шези V = C RhI или Strickler формуле V = K RH2/3i половины (в каждой из этих формул, V-средняя скорость потока в м / с, гидравлический радиус RH - то есть отношение смоченной поверхности смоченный периметр - как м, я и наклон пола или С К эмпирические коэффициенты, которые не безразмерный). - Постепенно изменяется потока. Характеристики потока изменяются очень медленно с X-координата вдоль канала или реки. Исследование способы включают замену всех каналов через серию призматических секций в каждом из которых предполагается, что поток является однородным. Среди этих методов, предназначена для расчета положения свободной поверхности (или затон), мы должны упомянуть тех, Бресс и Бахметьев. - Быстро разнообразных потоков. Когда кривизны жидких потоков являются важными, поток называется быстро изменяется. Это тот случай, при пересечении порогов или плотин, или во время внезапного изменения глубины порождая явление гидравлического прыжка. Предыдущие методы становятся неприменимыми.
Понижение физической модели часто является единственным способом решения задачи обтекания, где не может быть рассмотрен расчет. Это для развития структуры, такие как водосливов, рассеиватели энергии, плотин и потребление речной воды, и т.д.. Силы, действующие на жидкости организма и в контакте с ними в основном за счет инерции, гравитации, вязкость и проникновение. Мы должны, в шаблон, сохранить отношения между различными основных категорий сил. В общем случае, невозможно достичь сходства с одновременным представлением более двух типов сил. В Фруда сходства, мы сохраняем то же соотношение сил гравитации и инерции. Это достигается посредством выполнения этой же число Фруда В / г D от модели и в природе. Это часто требует введения смещения в модели (различные горизонтальные и вертикальные шкалы).
В подобии Рейнольдса, мы сохраняем то же соотношение сил инерции и сил вязкости. Числа Рейнольдса должно быть то же самое в модели и в натуре. Чтобы достичь этого, это может быть необходимо для изучения гидравлических явлений с использованием модели с воздушным потоком (или наоборот). Многие районы традиционно для физических моделей, теперь доступны для математических моделей. Это особенно относится к морским портам, гидрозащиту проблемы против волны, распространение приливных устьях, и даже поведение мобильные деньги (песка и грязи) подвергается действию течений и волн . Он не верит, однако, реальной конкуренции между этими двумя методами. Они гораздо более друг друга, чем конкурентоспособны. Кроме того, сокращение моделей также используют компьютеры, как для обеспечения их контроля и автоматического управления для сбора информации, которую они содержат. Переменные, которые были наиболее часто измеряется в воде уровня жидкости, давления, скорости и потоков. Уровни оцениваются при помощи персонала датчики датчики чаевые яркие, детекторы мощности, эхолоты. Статических и динамических давлений измеряется с помощью датчиков и датчиков давления жидкости указывает микро смещения в электрический сигнал.
Для измерения скорости потока, есть катушки (гребного винта параллельно скорость) трубки Пито, Термоанемометры, или лазерный доплеровский измеритель скорости. Наконец измерения расхода использованием водосливов, Вентури, сопла, диафрагмы, ротаметры, или ультразвукового или электромагнитных расходомеров. Современные гидравлические охватывает обширную область знаний как теоретические, так и практические формы, за все, что влияет на движение воды, это называется "искусство инженера." Давно отличаются, с одной стороны, гидродинамике (см. механики жидкости), отрасль прикладной математики, а с другой стороны, гидравлика. Это различие, из-за различий в подходе и решению проблем меньше оправданным. Гидроэнергетика действительно перестала быть просто наукой эмпирических формул и коэффициентов. Влияние цифровых технологий, реализованных на все более мощных компьютеров и позволяет гидравлической инженеров сегодня, чтобы принести к решению практических задач математической строгости, которая была когда-то зарезервированы для гидродинамических классика. Такое согласование, а также взаимодополняемость, растущей между цифровым и физическим методам лабораторных методов, вероятно, является главной особенностью гидравлики в конце двадцатого века.
Перевод осуществлен: Войстрик К.В.
Была представленна лишь часть переведенной статьи, полный текст работы и материалы по теме могут быть получены у автора.
1. Model.Exponenta.Ru — учебно-методический сайт о моделировании и исследовании систем, объектов, технических процессов и физических явлений. http://model.exponenta.ru/
2. Хайрер Э., Ваннер Г. Решение обыкновенных дифференциальных уравнений. Жесткие и дифференциально-алгебраические задачи. М.: Мир, 1999. 685 с.
3. Сайт разработчиков ПК «МВТУ». http://mvtu.power.bmstu.ru/
4. Shampine L.F., Reichelt M.W. The MATLAB ODE Suite // SIAM J. on Scientific Computing. Vol. 18. 1997. № 1. P. 1-22.
5. Bogacki P., Shampine L.F. A 3(2) pair of Runge-Kutta formulas // Applied Mathematics Letters. Vol. 2. 1989. № 4. P. 321-325.
6. Hosea M.E., Shampine L.F. Analysis and implementation of TRBDF2 // Applied Numerical Mathematics. Vol. 20. 1996. № 1-3. P. 21-37.