Практическое применение уравнения Бернулли
Уравнение Бернулли имеет широкое применение во многих гидравлических расчетах и для объяснения многих гидравлических явлений. В частности, оно может быть использовано при измерении давления и скорости движущейся жидкости. Для измерения давления используется пьезометр (прямая трубка на рис. 4.31). Для измерения скорости совместно с пьезометром используется трубка Пито – трубка полного напора. Она представляет собой трубку, изогнутую под прямым углом и установленную навстречу потоку.
Рис. 4.31. Схема определения скорости течения жидкости с помощью пьезометра и трубки Пито
Уровень жидкости в пьезометре равен
Разность уровней в пьезометре и в трубке полного напора будет равна скоростному напору
Действительно, запишем уравнение Бернулли для точек А и В:
Так как ,
,
, то
, где
– высота жидкости в трубке полного напора;
– высота жидкости в пьезометре.
Отсюда
Тогда
За счет вязкости жидкости и других отклонений от идеального случая преобразования энергии обычно , поэтому, чтобы не получать пониженных значений скоростей, вводится коэффициент
, определяемый для каждой трубки опытным путем:
Трубка Пито – Прандтля
Дальнейшим усовершенствованием трубки Пито является трубка Пито – Прандтля. В этом приборе объединяются трубка Пито и пьезометр (рис. 4.32). Роль трубки Пито здесь выполняет трубка 2 (она направлена навстречу потоку), а пьезометра – трубка 1 (отверстия в этой трубке находятся параллельно направлению потока).
Рис. 4.32. Трубка Пиго – Прандтля
Пусть в сечении I имеем давление и скорость набегающего потока р и и. В сечении II давление на входе в трубку 2 равно(скорость
здесь равна нулю). Записывая уравнение Бернулли для сечений I и II и учитывая, что
,
, получаем
Отсюда
(4.25)
Для определениявоспользуемся формулой гидростатического давления
(см. параграф 3.6).
Применяя эту формулу для точек А и D, получаем
где– удельный вес ртути;
– удельный вес газа, скорость которого измеряется.
Так как при равновесии давление в точках А и D одинаково, то
Учитывая, что получаем
Подставляя последнее соотношение в формулу (4.25), находим
Для каждой отдельной трубки вводится некоторый коэффициент, определяемый опытным путем. Поэтому формула для определения скорости потока принимает вид
Трубка Вентури, сопло, диафрагма
В промышленных условиях для измерения расхода жидкостей применяются трубки Вентури, сопла и диафрагмы. Более подробно рассмотрим трубку Вентури (рис. 4.33). Трубка Вентури создаст в трубопроводе местное сужение потока и по возникающему перепаду давлений Δр можно определить расход жидкости.
Для сечений I и II запишем уравнение Бернулли (считая распределение скоростей равномерным)
где – потеря напора между сечениями I и II,
;
– коэффициент местных потерь (см. параграф 6.15). Уравнение неразрывности для несжимаемой жидкости имеет вид
.
Отсюда
Подставляя,
, и
в уравнение Бернулли и выражая
, получаем
Рис. 4.33. Трубка Вентури
Рис. 4.34. Схема распределения скоростей и давлений в трубке Вентури с дифференциальным трубным манометром
Объемный расход будет определяться по формуле
(4.26)
где С – величина, постоянная для данного расходомера (трубки Вентури).
Довольно часто вместо пьезометров для измерения перепада давления в расходомере применяют дифференциальный трубный манометр (рис. 4.34).
Учитывая, что над ртутью в трубках находится одна и та же жидкость плотностью ρ, можно записать
(4.27)
Значения Δh, полученные по формуле (4.27), можно использовать для определения расхода по формуле (4.26).
Аналогично для измерения расхода могут быть использованы диафрагмы (рис. 4.35) и сопла (рис. 4.36).
Рис. 4.35. Диафрагма
Рис. 4.35. Сопло