Ответы на вопросы по курсу ПАХТ

1. Дать определение единичной массовой силы и перечислить известные Вам единичные массовые силы. (Курс «Гидравлика»).

Ответ: a=P/m – сила, отнесенная к единице массы, называется единичной массовой силой. Массовыми называются силы, действующие на каждую частицу внутри данной массы (объема) рабочего тела.

· Центробежные силы

· Инерционные силы

· Сила тяжести

2. Записать уравнение Бернулли в дифференциальной форме с указанием физического смысла входящих в него величин. В каких случаях необходимо записывать уравнение Бернулли для стационарного движущегося потока в дифференциальной форме?

Ответ: - уравнение Бернулли в дифференциальной форме. Физический смысл величин, входящих в него:

z – нивелирная или геометрическая высота, расстояние центра сечения канала от некоторой произвольно выбранной горизонтальной плоскости отсчёта.

- пьезометрическая высота; на такую высоту поднимается жидкость плотностью ρ под давлением p.

- скоростная (кинетическая) высота.

Сумма трёх рассматриваемых слагаемых – полный или динамический напор.

Уравнение в дифференциальной форме записывают в случае ρ≠const, т.е. для сжимаемой жидкости.

3. Основные балансовые соотношения(ОБС) для выбранных пространственных контуров и их назначение. Какие из потоков субстанции пересекают границы пространственного контура? Привести пример записи ОБС с расшифровкой входящих в них составляющих.

Ответ: Среди разнообразных типов соотношений, встречающихся в химической технологии, часто используются уравнения баланса. Эти уравнения нередко выступают как математическое выражение законов сохранения какой-нибудь субстанции (массы, количества движения, теплоты, какого-либо вещества). Однако балансовые соотношения можно записать и для таких ситуаций, когда законы сохранения не действуют. Так, баланс может быть записан для одного извеществ, участвующих в химической реакции: здесь сохранения (скажем, массы или числа молей) именно этого вещества — нет, так как оно может исчезать или возникать в ходе химической реакции. Таким образом, понятие баланса шире, нежели закона сохранения.
Сущность метода балансов и последовательность составления балансовых соотношений заключается в следующем:
а) определяют, для какой именно субстан ции необходимо записать баланс;
б) выделяют пространственный контур, для которого составляется баланс;
в) устанавливают временной интервал, для которого будет составлен баланс.
Затем обозначают и выражают: потоки субстанции, входящие в контур (Приход= Пр) и выходящие из него (Уход= Ух); Источники (Ис) субстанции и ее Стоки (Ст) внутри контура; Накопление (Нак) субстанции (или Результат процесса, сокращенно Рез) в контуре за исследуемый временной интервал. Далее записывают Основное Балансовое Соотношение (ОБС):

+ Пр — Ух + Ис — Ст = Нак(Рез).

ОБС может быть записано для любой характеристики объекта, относящейся к экстенсивным величинам.
Основные цели составления баланса:
— проверка сходимости баланса, т.е. выявление невязки баланса и ее причин, принятие решения об уточнении модели процесса или о повышении точности определения величин, входящих в ОБС;
— нахождение неизвестного элемента баланса; здесь должны быть известны все элементы баланса, кроме определяемого;
— отыскание функциональной связи между элементами балансового соотношения (непосредственно или в результате математических преобразований).
Пространственный контур выделяет из технологической системы один аппарат, несколько аппаратов или часть аппарата (возможно, бесконечно малую его часть). После выделения контура все потоки, пересекающие его границы (жирные линии), трактуются как Приходы субстанции в контур или ее Уходы из него. Если между потоками происходит обмен субстанцией, нередко при выборе контура потоки целесообразно формально обособить (сегрегировать).
В качестве временного интервала можно выбрать время протекания всего процесса от начала до конца либо от начала до некоторого промежуточного состояния (так поступают при необходимости установления закономерностей изменения исследуемой характеристики во времени). Для периодических процессов нередко приходится начинать с составления баланса в дифференциальной форме — для бесконечно малого (элементарного) промежутка времени. Для стационарных процессов за временной интервал чаще всего удобно выбирать единицу времени (1 с).
Без выбора субстанции, определения пространственного контура и установления временного интервала составление баланса лишено смысла.

В качестве Прихода и Ухода могут выступать потоки субстанции в единицу времени (в непрерывных стационарных процессах) либо ее количества (в периодических нестационарных процессах) — конечные (за весь процесс или часть его) или бесконечно малые (за элементарный промежуток времени).
Источники и Стоки вводятся в балансовые уравнения, когда в изучаемой ситуации для субстанции отсутствует закон сохранения. Это тоже могут быть потоки субстанции (в единицу времени) либо ее количества (за конечный или бесконечно малый промежуток времени). На рис. Источники и Стоки изображены крестиками или жирными точками в кружках малого размера.
В результате алгебраического сложения Приходов, Уходов, Источников и Стоков количество рассматриваемой субстанции в пределах контура может изменяться или не изменяться: происходит или не происходит Накопление субстанции. В стационарном состоянии (непрерывные процессы) таких изменений не наблюдается, так что здесь Накопление субстанции Нак = О. Для нестационарных процессов типично изменение количества балансируемой субстанции внутри контура. При этом Накопление всегда есть разность между конечным и начальным количествами субстанции; эта разность получится положительной, когда количество субстанции нарастает, и отрицательной, когда оно убывает.

4. Закономерности турбулентного течения реальной жидкости в трубопроводе. Какие силы являются преобладающими? Объяснить физический смысл критерия Рейнольдса.

Ответ: Критерий Рейнольдса Re=wdρ ⁄ μ это соотношение сил инерции и сил вязкости. Можно утверждать, что увеличение Re означает относительное возрастание сил инерции, уменьшение Re – возрастание сил вязкости (внутреннего трения). Рейнольдс установил, что склонность жидкости к турбулентному течению возрастает при увеличении ее плотности и понижении вязкости. При увеличении Re в прямых круглых трубах сверх 10⁴ течение становится существенно турбулентным (преобладают силы инерции). Однако вблизи стенок канала (в очень тонком слое), где скорости малы, течение остается близким к ламинарному. В турбулентном ядре перенос импульса осуществляется преимущественно за счет пульсационного движения так называемых ансамблей. Перемещаясь из одной области течения в другую, они стремятся по инерции сохранить свою первоначальную скорость в направлении движения. Смешиваясь с остальной жидкостью, быстрые ансамбли увеличивают ее скорость, медленные – уменьшают. В результате в поперечном сечении турбулентного ядра происходит существенная нивелировка осредненных скоростей в направлении движения потока. Именно в этом проявляется преобладающая роль сил инерции в турбулентных течениях. Лишь при очень высоких Re (для круглых труб свыше 2•10⁷) пристенный слой оказывается практически сорванным – доминируют силы инерции, а влияние сил вязкости вырождается.

5. Дать определение поверхности уровня в гидравлике. Чем характеризуется поверхность уровня? Привести примеры поверхности уровня.

Ответ: Поверхность уровня - совокупность точек пространства с одинаковым давлением. Вдоль каждой такой поверхности давление не изменяется (p=const), так что dp=0. Уравнение поверхности уровня в дифференциальной форме имеет вид:

p_xdx+p_ydy+p_zdz=0

Примером поверхности уровня может служить поверхность жидкости в неподвижном сосуде на постоянной глубине.

6. При выводе уравнения для перепада давления в неподвижном зернистом слое используют понятия «идеальный» и «фиктивный» слой. Равенство какого параметра для этих слоёв необходимо принять для вывода указанного уравнения? Нарисовать кривые псевдоожижения ∆ p = ƒ (w) для идеального и реального слоёв.

Ответ: Идеальный слой – слой, составленный из одинаковых шарообразных зерен. Фиктивный слой – слой, обладающий тем же гидравлическим сопротивлением, что и идеальный, но газ в ФС движется по прямым каналам, а не по искривленным, как в ИС

Кривые псевдоожижения: а-идеальная, б-реальная.

На рис.а-идеальная кривая для аппарата постоянного поперечного сечения f. На участке 0-А, где w<w₀, слой еще неподвижен. В точке А воздействие газового потока становится равным весу ТМ в аппарате, и слой переходит в псевдоожиженное состояние. При дальнейшем повышении скорости в аппарате с постоянным сечением перепад давления не будет меняться на всем диапазоне ПОС-состояния.

Реальная кривая отличается от идеальной

· Наличием пика давления в близи начала ПО. Причина – необходимость преодоления сцепления частиц друг с другом и со стенками аппарата.

· Некоторым отклонением ∆р_пс от постоянной величины на участке АВ, это связано с ликвидацией застойных зон

· Наличием гистерезиса, которое объясняется более плотной упаковкой частиц при прямом ходе и менее плотной при обратном. Меняется порозность, меняется и ∆р

7. Записать формулу для определения перепада давления псевдоожиженного слоя, если известны характеристики слоя: плотность твердых частиц (ρ_т), плотность ожижающего агента (ρ), порозность (εо) и высота (Hо) неподвижного зернистого слоя. От каких факторов зависит перепад давления псевдоожиженного слоя?

Ответ: Δр_пс=(ρ_т-ρ)g(1-ε₀)H₀

Это выражение справедливо для точки А, когда w=w₀. Для этой точки, принадлежащей одновременно к псевдоожиженому и неподвижному слоям, ε= ε₀ и Н= H₀.

а б

Кривые псевдоожижения: а-идеальная, б-реальная.

На рис.а-идеальная кривая для аппарата постоянного поперечного сечения f. На участке 0-А, где w<w₀, слой еще неподвижен. В точке А воздействие газового потока становится равным весу ТМ в аппарате, и слой переходит в

псевдоожиженное состояние. Как следует из формулы, перепад давления зависит от плотности, высоты и порозности ПОС

8. Что такое критерий гидродинамического подобия Эйлера Eu? Расшифровать входящие в критерий Эйлера символы и пояснить физический смысл критерия.

Ответ: Гидродинамическое подобие описывает течение 2-х подобных моделей (индексы 1 и 2) и описывается выражением:

.

Произведем сопоставление ; разделим на и учтем, что , и .

Тогда получим что или . Критерий (число) гидродинамического подобия Эйлера Eu= , где p_i – давление i-той системы, - скорость течения i-той системы, - плотность жидкости в i-той системе. Физический смысл критерия ясен из процедуры сопоставления – сопоставление сил инерции и давления. В технологических процессах чаще используется не конкретное давление p, а перепад давлений . Тогда выражение для критерия Эйлера принимает следующее выражение Eu= .

9. Под действием каких сил одиночная сферическая частица (плотность ρ_т) находится неподвижно в восходящем потоке (плотность ρ)? Назовите эти силы и укажите направления их действия относительно выбранной системы координат.

Ответ: Чтобы частица находилась неподвижно в восходящем потоке, необходимо равенство действующих на нее сил: веса частицы Рч, выталкивающей (архимедовой силы) Ра, и воздействия потока среды Рп. При ρ_т>ρ:

Рч=Ра+Рп

10. Приведите формулу для расчета расхода жидкости при истечении из отверстия в дне сосуда при постоянном уровне (H = const). В чем состоит физический смысл коэффициента К_р? (коэффициент расхода).

Ответ: Рассмотрим истечение жидкости из закрытого сосуда в стационарных условиях – при поддержании постоянным в ходе процесса давлений над свободной поверхностью (р₀) и с в среде, куда происходит истечение (р`), z₁ а также уровня жидкости в сосуде (h). Вы берем горизонтальную плоскость отсчета 0-0 и запишем уравнение Бернулли для сечений со свободной поверхностью жидкости (на расстоянии z₂ от этой плоскости).

, где W₁ и W – скорости жидкости в сечениях F и f_c, - плотность жидкости, - потерянный напор.

, где - потери напора от трения, - потери напора от местного сопротивления (отверстия). Пренебрежем - мала. Тогда , где - коэффициент местного сопротивления при протекании жидкости через отверстие. ; . Т.к. , то . . Пренебрежем , т.к. она мала в сравнении с 1 и с . , тогда . Введем приведенную высоту . - коэффициент скорости. . Расход жидкости , , где - коэффициент сжатия струи; . . - коэффициент расхода.

Физический смысл K_p – это коэффициент, который учитывает влияние толщины стенок и состояния кромок отверстия сосуда (коэффициент сжатия ); форму отверстия и его расположение относительно сосуда (коэффициент сжатия струи ) на истечение.

11. Объяснить принцип действия поршневых насосов. Для чего устанавливают воздушный колпак на всасывающей линии? Объяснить принцип работы воздушного колпака на всасывающей линии насоса.

Ответ: За один оборот кривошипа поршень совершает ход вправо (ход всасывания) и ход влево (ход нагнетания)В крайних положениях, где поршень меняет направление движения,он на мгновение останавливается.Потом скорость движения увеличивается от нуля до максимального значения и снова уменьшается вплоть до мгновения остановки. Далее снова разгон поршня и его замедление.Затем цикл повторяется.

Воздушный колпак устанавливают на всасывающей линии для равномерной подачи жидкости на участке от расходного резервуара до колпака. Поршневой насос в период всасывания забирает из колпака жидкость,и ее уровень в нем понижается до минимального. В период нагнетания жидкость из всасывающего колпака насосом не забирается, а за счет разности давлений поддерживается почти равномерное движение жидкости во всасывающем трубопроводе и пополнение ею колпака до максимального уровня.

Дата добавления: 2015-04-24