Hydraulická hlava - Hydraulic head - Wikipedia

Tento článek obsahuje seznam obecných Reference, ale zůstává z velké části neověřený, protože postrádá dostatečné odpovídající vložené citace. Prosím pomozte zlepšit tento článek představuji přesnější citace. (Duben 2020) (Zjistěte, jak a kdy odstranit tuto zprávu šablony)

K dispozici rozdíl v hydraulické hlavě napříč a vodní přehrada, před ztráty hlavy v důsledku turbíny, tření stěny a turbulence

Kapalina proudí z nádrže nahoře do nádrže na dně pod tlakem hydraulické hlavy.

Měření hydraulické hlavy v an artéské zvodnělé vrstvy, kde je hladina vody nad povrchem země

Hydraulická hlava nebo piezometrická hlava je konkrétní měření tlak kapaliny nad a vertikální vztažný bod.^[1][2]

Obvykle se měří jako nadmořská výška povrchu kapaliny, vyjádřená v jednotkách délky, u vstupu (nebo dole) a piezometr. V vodonosná vrstva, lze ji vypočítat z hloubky do vody v piezometrické studni (specializované studna ) a dané informace o výšce a hloubce obrazovky piezometru. Podobně lze hydraulickou hlavu měřit ve sloupci vody pomocí piezometru na stoupací trubici měřením výšky vodní hladiny v trubce vzhledem ke společnému vztažnému bodu. Pomocí hydraulické hlavy lze určit a hydraulický gradient mezi dvěma nebo více body.

„Hlava“ v dynamice tekutin

v dynamika tekutin, hlava je koncept, který souvisí s energie v nestlačitelný kapalina do výšky ekvivalentního statického sloupce této kapaliny. Z Bernoulliho princip, celková energie v daném bodě tekutiny je energie spojená s pohybem tekutiny plus energie z statický tlak v tekutině plus energie z výšky tekutiny vzhledem k libovolné datum. Hlava je vyjádřena v jednotkách výšky, jako jsou metry nebo stopy.

The statická hlava čerpadla je maximální výška (tlak), kterou může dodat. Schopnost čerpadla při určitých otáčkách lze zjistit z jeho křivky Q-H (průtok vs. výška).

Běžná mylná představa je, že hlava se rovná energii tekutiny na jednotku hmotnost zatímco ve skutečnosti výraz s tlakem nepředstavuje žádný druh energie (v Bernoulliho rovnice pro nestlačitelnou tekutinu tento termín představuje práce tlakových sil). Head je užitečné při specifikaci odstředivá čerpadla protože jejich čerpací charakteristiky bývají nezávislé na hustotě kapaliny.

Existují čtyři typy hlavy používané k výpočtu celkové výšky tlaku do a z čerpadla:

1. Rychlostní hlava je způsoben objemovým pohybem tekutiny (Kinetická energie ). Jeho korespondentem tlakové hlavy je dynamický tlak.
2. Výšková hlava je kvůli hmotnosti tekutiny, gravitační síla působící na sloupci tekutiny.
3. Tlaková hlava je kvůli statický tlak, vnitřní molekulární pohyb tekutiny, která vyvíjí sílu na svůj obal.
4. Odporová hlava (nebo třecí hlava nebo Ztráta hlavy ) je způsoben třecími silami působícími proti pohybu tekutiny nádobou.

Součásti hydraulické hlavy

Po volné padání přes výšku ${ displaystyle h}$ v vakuum z počáteční rychlosti 0 dosáhne hmota a Rychlost

${ displaystyle v = { sqrt {{2g} {h}}}}$

kde ${ displaystyle g}$ je gravitační zrychlení. Přeskupeno jako hlava:

${ displaystyle h = { frac {v ^ {2}} {2g}}}$.

The období ${ displaystyle { frac {v ^ {2}} {2g}}}$ se nazývá rychlostní hlava, vyjádřeno jako měření délky. V tekoucí tekutině představuje energii tekutiny v důsledku jejího hromadného pohybu.

Celková hydraulická výška kapaliny se skládá z tlaková hlava a elevační hlava.^[1][2] Tlaková hlava je ekvivalentní měřidlo tlak sloupce vody na základně piezometru a elevační výška je relativní potenciální energie z hlediska nadmořské výšky. The rovnice hlavy, zjednodušenou formu Bernoulliho principu pro nestlačitelné tekutiny, lze vyjádřit jako:

${ displaystyle h = psi + z ,}$

kde

${ displaystyle h}$ je hydraulická hlava (Délka vm nebo ft), také známý jako piezometrická hlava.

${ displaystyle psi}$ je tlaková hlava, pokud jde o výškový rozdíl vodního sloupce vzhledem ke dnu piezometru (Délka vm nebo ft) a

${ displaystyle z}$ je výška ve spodní části piezometru (Délka vm nebo ft)

V příkladu s 400 m hlubokým piezometrem s nadmořskou výškou 1000 m a hloubkou vody 100 m: z = 600 m, ψ = 300 m, a h = 900 m.

Tlakovou hlavu lze vyjádřit jako:

${ displaystyle psi = { frac {P} { gamma}} = { frac {P} { rho g}}}$

kde

${ displaystyle P}$ je přetlak (síla na jednotku plochy, často Pa nebo psi),

${ displaystyle gamma}$ je jednotková hmotnost kapaliny (síla na jednotku objemu, obvykle N · m⁻³ nebo lbf / ft³),

${ displaystyle rho}$ je hustota kapaliny (hmotnost na jednotku objemu, často kg · m⁻³), a

${ displaystyle g}$ je gravitační zrychlení (změna rychlosti za jednotku času, často m · s⁻²)

Hlava čerstvé vody

Tlaková hlava je závislá na hustota vody, která se může lišit v závislosti na teplotě a chemickém složení (slanost, zejména). To znamená, že výpočet hydraulické hlavy závisí na hustotě vody v piezometru. Pokud má být porovnáno jedno nebo více měření hydraulické hlavy, je třeba je standardizovat, obvykle na jejich hlava čerstvé vody, kterou lze vypočítat jako:

${ displaystyle h _ { mathrm {fw}} = psi { frac { rho} { rho _ { mathrm {fw}}}} + z}$

kde

${ displaystyle h _ { mathrm {fw}} ,}$ je hlava čerstvé vody (délka měřená vm nebo ft) a

${ displaystyle rho _ { mathrm {fw}} ,}$ je hustota čerstvé vody (hmotnost na jednotku objemu, obvykle v kg · m⁻³)

Hydraulický spád

The hydraulický gradient je vektorový přechod mezi dvěma nebo více měřeními hydraulické hlavy po celé délce průtokové cesty. Pro podzemní voda, nazývá se také „Darcyho sklon“, protože určuje množství a Darcyho tok nebo vybití. Má také aplikace v tok otevřeného kanálu kde lze použít k určení, zda dosah získává nebo ztrácí energii. A bezrozměrný hydraulický gradient lze vypočítat mezi dvěma body se známými hodnotami hlavy jako:

${ displaystyle i = { frac {dh} {dl}} = { frac {h_ {2} -h_ {1}} { mathrm {délka}}}}$

kde

${ displaystyle i}$ je hydraulický gradient (bezrozměrný),

${ displaystyle dh}$ je rozdíl mezi dvěma hydraulickými hlavami (délka, obvykle vm nebo ft) a

${ displaystyle dl}$ je délka dráhy toku mezi dvěma piezometry (délka, obvykle vm nebo ft)

Hydraulický gradient lze vyjádřit ve vektorovém zápisu pomocí del operátor. To vyžaduje hydraulickou hlavu pole, které lze prakticky získat pouze z numerických modelů, jako např MODFLOW pro podzemní vodu nebo standardní krok nebo HEC-RAS pro otevřené kanály. v Kartézské souřadnice, lze to vyjádřit jako:

${ displaystyle nabla h = left ({ frac { částečné h} { částečné x}}, { frac { částečné h} { částečné y}}, { frac { částečné h} { částečné z}} pravé) = { frac { částečné h} { částečné x}} mathbf {i} + { frac { částečné h} { částečné y}} mathbf {j} + { frac { částečné h} { částečné z}} mathbf {k}}$

Tento vektor popisuje směr toku podzemní vody, kde záporné hodnoty označují tok podél dimenze a nula označuje „žádný tok“. Stejně jako u jakéhokoli jiného příkladu ve fyzice musí energie proudit z vysokého na nízký, a proto je tok v negativním gradientu. Tento vektor lze použít ve spojení s Darcyho zákon a a tenzor z hydraulická vodivost k určení toku vody ve třech rozměrech.

Hydraulická hlava ve spodní vodě

Vztah mezi hlavami pro a hydrostatický případ a průtok dolů případ.

Distribuce hydraulické hlavy přes vodonosná vrstva určuje, kam bude proudit podzemní voda. V hydrostatický příklad (první obrázek), kde je hydraulická hlava konstantní, nedochází k žádnému průtoku. Pokud však existuje rozdíl v hydraulické hlavě shora dolů kvůli odtoku ze spodní části (druhý obrázek), voda poteče dolů, kvůli rozdílu hlavy, nazývaného také hydraulický gradient.

Atmosférický tlak

I když je použití konvencí měřicí tlak při výpočtu hydraulické hlavy je správnější použít celkový tlak (přetlak + atmosférický tlak ), protože právě to řídí tok podzemní vody. Často podrobná pozorování barometrický tlak nejsou k dispozici u každého studna časem, takže se na to často nepřihlíží (což přispívá k velkým chybám v místech, kde jsou hydraulické spády nízké nebo je úhel mezi vrty ostrý.)

Dopady změn v atmosférický tlak o hladinách vody pozorovaných ve studnách je známo již mnoho let. Účinek je přímý, zvýšení atmosférického tlaku znamená zvýšení zátěže vody ve zvodnělé vrstvě, což zvyšuje hloubku vody (snižuje hladinu vody). Pascal poprvé kvalitativně pozoroval tyto účinky v 17. století a byly přísněji popsány v půdní fyzik Edgar Buckingham (pracuje pro Ministerstvo zemědělství USA (USDA)) s použitím modelů proudění vzduchu v roce 1907.

Ztráta hlavy

V jakékoli skutečné pohyblivé tekutině je energie rozptýlena kvůli tření; turbulence rozptýlí ještě více energie pro vysoké Reynoldsovo číslo proudí. Toto rozptýlení, tzv ztráta hlavy, je rozdělena do dvou hlavních kategorií, „velké ztráty“ spojené se ztrátami energie na délku potrubí a „malé ztráty“ spojené s ohyby, armaturami, ventily atd. Nejběžnější rovnicí používanou k výpočtu velkých ztrát hlavy je Darcy – Weisbachova rovnice. Starší empirické přístupy jsou Hazen-Williamsova rovnice a Pronyho rovnice.

U relativně krátkých potrubních systémů s relativně velkým počtem ohybů a tvarovek mohou malé ztráty snadno překročit velké ztráty. V konstrukci se menší ztráty obvykle odhadují z tabulek pomocí koeficientů nebo jednoduššího a méně přesného snížení menších ztrát na ekvivalentní délku potrubí, což je metoda často používaná pro zkratkové výpočty tlakové ztráty pneumatických dopravních linek.^[3]

Viz také

• Borda – Carnotova rovnice
• Dynamický tlak
• Drobné ztráty v toku potrubí
• Celková dynamická hlava
• Etapa (hydrologie)
• Hlava (hydrologie)

Poznámky

Reference

• Bear, J. 1972. Dynamika tekutin v porézních médiíchDover. ISBN  0-486-65675-6.
• další odkazy, které pojednávají o hydraulické hlavě v kontextu hydrogeologie, najdete na této stránce další část pro čtení