Opory hydrauliczne — zadanie: druga gałąź osłabia pierwszą
Źródło utrzymuje nadciśnienie p₀ = 15 kPa przed wspólnym doprowadzeniem o Rₛ = 2,0·10⁹ Pa·s/m³. Za doprowadzeniem znajduje się węzeł N i gałąź R₁ = 6,0·10⁹ Pa·s/m³. Dołączamy drugą równoległą gałąź R₂ = 3,0·10⁹ Pa·s/m³. Obie kończą się przy zerowym nadciśnieniu odniesienia. Węzły są na tej samej wysokości, ich prędkości i straty w łącznikach pomijamy, a podane opory pozostają liniowe.
a) Wyznacz przepływ R₁ i ciśnienie N przed dołączeniem. b) Oblicz całkowity przepływ, oba natężenia gałęzi i ciśnienie N po dołączeniu. c) Porównaj zmianę sumy z przepływem starej gałęzi. Sprawdź bilans mocy w końcowym stanie.
Pokaż rozwiązanieUkryj rozwiązanie
W tym zadaniu
Wskazówka
Przed dołączeniem dodaj Rₛ i R₁. Po dołączeniu dodaj Rₛ do oporu zastępczego R₁ równolegle z R₂. Ciśnienie N to p₀ minus spadek w Rₛ; nie wynosi stale 15 kPa.
Rozwiązanie
1. Początkowa pojedyncza droga
Opór całkowity wynosi (2 + 6)·10⁹ = 8·10⁹ Pa·s/m³. Dlatego:
Q_{\mathrm{przed}}=\frac{15000}{8\cdot10^9}=1{,}875\cdot10^{-6}\ \mathrm{m^3/s}=1{,}875\ \mathrm{ml/s}.
W doprowadzeniu tracimy 2·10⁹·1,875·10⁻⁶ = 3750 Pa. Węzeł N ma nadciśnienie 15000 − 3750 = 11250 Pa = 11,25 kPa.
2. Sieć po dołączeniu drugiej gałęzi
Opór równoległy wynosi (6·3)/(6 + 3)·10⁹ = 2·10⁹ Pa·s/m³. Razem z doprowadzeniem otrzymujemy 4·10⁹ Pa·s/m³. Zatem Qpo = (15000/(4·10⁹)) m³/s = 3,75·10⁻⁶ m³/s = 3,75 ml/s.
Spadek w doprowadzeniu rośnie do 2·10⁹·3,75·10⁻⁶ = 7500 Pa. Nadciśnienie N maleje do 7,50 kPa. Z tej wartości obliczamy gałęzie:
Q_1=\frac{7500}{6\cdot10^9}\ \mathrm{m^3/s}=1{,}25\cdot10^{-6}\ \mathrm{m^3/s}=1{,}25\ \mathrm{ml/s},\qquad Q_2=\frac{7500}{3\cdot10^9}\ \mathrm{m^3/s}=2{,}50\cdot10^{-6}\ \mathrm{m^3/s}=2{,}50\ \mathrm{ml/s}.
Suma 1,25 + 2,50 = 3,75 ml/s jest równa przepływowi doprowadzenia. Przez R₂ płynie dwa razy więcej niż przez R₁, ponieważ jego opór jest dwa razy mniejszy przy tej samej różnicy ciśnień.
3. Więcej łącznie, mniej w starej gałęzi
Całkowity przepływ wzrósł dwukrotnie z 1,875 do 3,75 ml/s. Przepływ starej gałęzi spadł z 1,875 do 1,25 ml/s, czyli do 2/3 pierwotnej wartości. Źródło nie utrzymuje 15 kPa w N: utrzymuje tę wartość przed wspólnym oporem, w którym wzrósł spadek ciśnienia.
4. Kontrola energetyczna
Źródło dostarcza 15000·3,75·10⁻⁶ = 0,05625 W = 56,25 mW. Doprowadzenie rozprasza 7500·3,75·10⁻⁶ W = 0,028125 W = 28,125 mW. Gałęzie rozpraszają 7500·1,25·10⁻⁶ W = 0,009375 W = 9,375 mW oraz 7500·2,50·10⁻⁶ W = 0,018750 W = 18,750 mW.
Suma 28,125 + 9,375 + 18,750 = 56,250 mW zamyka bilans. Energia nie ginie w węźle, a ciecz nie wybiera wyłącznie łatwiejszej gałęzi. Za wynik odpowiada jednoczesne spełnienie bilansów objętości, ciśnienia i energii przy zadanym źródle.
Powiązana teoria
Opory hydrauliczne: rozgałęzienia, ciśnienie zasilania i energia
Dalsza lektura
Ta sama sieć, inne źródło
Najpierw przewiduj: Zamknij drugą gałąź raz przy zadanym ciśnieniu źródła, a raz przy zadanym całkowitym przepływie. Co stanie się z przepływem w pierwszej gałęzi?
Przy ciśnieniu źródła 1000 Pa, R₀ = 10⁸ i R₁ = R₂ = 2·10⁸ Pa·s/m³: ciśnienie w rozgałęzieniu wynosi 500 Pa, a każdą gałęzią płynie 2,5 ml/s. Łącznie 5 ml/s.
Co oblicza model i gdzie kończą się jego założenia?
Obie gałęzie mają wspólną różnicę ciśnień p, a przepływy wynoszą Q₁ = p/R₁ i Q₂ = p/R₂. W części wspólnej Q = Q₁ + Q₂. Źródło ciśnienia musi pokonać dodatkowo spadek R₀Q. Po zamknięciu drugiej gałęzi przyjmujemy Q₂ = 0, a nie R₂ = 0.
Źródło stałego przepływu dostosowuje swoje ciśnienie do oporu sieci. Źródło stałego ciśnienia tego nie robi. Porównaj oba przypadki również przy R₀ = 0. Bilans mocy powinien spełniać pźrQ = R₀Q² + R₁Q₁² + R₂Q₂² (ostatni składnik pomijamy przy zamkniętej gałęzi).
To liniowe, idealizowane opory hydrauliczne: ciecz nie gromadzi się w węźle, nie ma przecieków ani podatności przewodów. Bez geometrii elementów nie można tu wyliczyć liczby Reynoldsa i potwierdzić ich liniowości.
Najpierw spróbuj samodzielnie. Zapisz dane, wybierz prawa fizyczne i sprawdź jednostki. Przejdź do zadań ze sprawdzaniem odpowiedzi »
← Wróć do działu: Zadania Do góry ↑
Komentarze (0)
Nie ma jeszcze opublikowanych komentarzy. Rozpocznij rozmowę o tym materiale.
RSS komentarzy · Powiadomienia e-mail
Dodaj komentarz
Możesz komentować jako gość lub zalogować się, aby użyć danych konta. Utwórz konto