القطر الهيدروليكي: حساب الأنبوب ، المستطيل ، القطع الناقص ، الأسئلة الشائعة


جدول المحتويات

تعريف القطر الهيدروليكي

الدائرة هي أبسط شكل ، أسهل أشكال الحسابات تظهر أثناء التعامل مع المقاطع العرضية الدائرية. عندما يتدفق السائل عبر مجرى غير دائري ، نقوم بتحويل المقطع العرضي إلى دائري لإجراء حسابات مريحة. يسمى هذا القطر المشتق حديثًا من المقطع العرضي الدائري باسم القطر الهيدروليكي. يشار إليه على أنه دh. ومن ثم ، يمكننا إيجاد نفس النتائج للقناة غير الدائرية مثل القناة الدائرية باستخدام مفهوم القطر الهيدروليكي.

معادلة القطر الهيدروليكي

يمكن العثور على القطر الهيدروليكي باستخدام الصيغة الواردة أدناه-

درهم = 4 أ / ف

أين،
Dh هو القطر الهيدروليكي
أ هي مساحة المقطع العرضي غير الدائري
P هو المحيط المبلل للمقطع العرضي غير الدائري

القطر الهيدروليكي هو دالة لنصف القطر الهيدروليكي Rh، والتي يمكن إيجادها بقسمة مساحة المقطع العرضي ، A على المحيط المبلل ، P.



لاحظ أن دh = 4Rh

تختلف هذه العلاقة عن العلاقة التقليدية بين القطر ونصف القطر (أي D = 2R). ينشأ هذا الاختلاف فقط عند تحويل المقاطع العرضية غير الدائرية إلى دائرية.

ملاحظة - يتم استيفاء قانون الحفاظ على الزخم أثناء حساب القطر الهيدروليكي. كما أن القطر الهيدروليكي يختلف عن القطر الطبيعي. دh هو نفسه فقط للقنوات الدائرية.

القطر الهيدروليكي
تمثيل بسيط للقطر الهيدروليكي

القطر الهيدروليكي ورقم رينولد


يستخدم رقم رينولد في ميكانيكا الموائع و انتقال الحرارة لمعرفة نوع التدفق، رقائقي أو مضطرب. يستخدم القطر الهيدروليكي في الصيغة لحساب عدد رينولد.
رقم رينولد هو نسبة قوى القصور الذاتي إلى القوى اللزجة. إنه رقم بلا أبعاد سمي على اسم العالم الأيرلندي أوزبورن رينولدز الذي شاع هذا المفهوم في عام 1883.

يوضح هذا الرقم تأثير اللزوجة في التحكم في سرعة تدفق السائل. يتم تطوير ملف تعريف خطي للزوجة عندما يكون التدفق رقائقيًا. في التدفق الصفحي ، يتدفق السائل بطريقة تبدو كما لو كانت تتدفق في طبقات متوازية. لا تتقاطع هذه الطبقات مع بعضها البعض وتتحرك دون أي اضطراب بينها. هذه نوع التدفق يحدث عادة بسرعات بطيئة. عند السرعات البطيئة ، لا يحدث خلط من طبقتين ويتدفق السائل في طبقات مكدسة فوق بعضها البعض.

يساعدنا التدفق الصفحي على قياس تدفق السوائل عالية اللزوجة لأن هذا النوع من التدفق يعطي علاقة خطية بين معدل التدفق و هبوط الضغط. ملائم شروط التدفق الصفحي هو لزوجة عالية وسرعة منخفضة. عند السرعات الأكبر ، تبدأ جزيئات السائل في التصرف بطريقة مختلفة مما يؤدي إلى اختلاط طبقات السوائل. يؤدي هذا الخلط إلى حدوث اضطراب وبالتالي يسمى التدفق المضطرب. يكون التدفق المضطرب مرغوبًا عند الحاجة إلى الخلط المناسب للسوائل. أحد الأمثلة على ذلك هو خلط الوقود بالمؤكسد في محركات الصواريخ. يساعد الاضطراب في الخلط الدقيق للسوائل.
يمكن حساب رقم رينولد من المعادلة الواردة أدناه-

                                                            

أين،
Re هو رقم رينولد
ش يعني السرعة السرعة (م / ث)
ν هي اللزوجة الحركية (م2/ S)
Dh هو القطر الهيدروليكي (بالمتر)

في أنبوب دائري ،
التدفق الصفحي ، إعادة> 2000
التدفق العابر ، 2000 <إعادة <4000
التدفق المضطرب ، إعادة> 4000

للحصول على طبق مسطح ،
التدفق الصفحي ، إعادة <5,00,000،XNUMX،XNUMX
الجريان المضطربإعادة> 5,00,000،XNUMX،XNUMX



القطر الهيدروليكي للأنبوب الدائري | القطر الهيدروليكي للاسطوانة

الأنابيب الدائرية هي الأنابيب الأكثر استخدامًا لنقل السوائل / الغاز من مكان إلى آخر (حتى لمسافات كبيرة). خطوط أنابيب المياه هي مثال واقعي للقنوات الدائرية المستخدمة في نقل السوائل. يمكن أن تحمل هذه الأنابيب مسافات كبيرة مثل من محطات تصفية المياه إلى المنازل وكذلك مسافات قصيرة مثل خزان المياه الجوفية إلى خزان مياه الشرفة. يتم إعطاء القطر الهيدروليكي للأنبوب الدائري من خلال-

Dh = 4πR2/ 2πR = 2R

                                                                      
أين،
R هو نصف قطر المقطع العرضي الدائري.

القطر الهيدروليكي للقناة المستطيلة


يتم استخدام القنوات المستطيلة عندما تكون التباعد مشكلة. علاوة على ذلك ، من السهل تصنيع القنوات المستطيلة وتقليل فقد الضغط. تستخدم مكيفات الهواء قنوات مستطيلة لتجنب فقد الضغط. يتم إعطاء القطر الهيدروليكي للقناة المستطيلة بواسطة-

Dh = 4ab / 2 (a + b) = 2ab / a + b


                                                                         
أين،

أ و ب هما أطوال أضلاع أكبر وأقصر.


للمقطع العرضي المربع ،

أ = ب

درهم = 2 أ2/ 2 أ = أ

أين،
أ هو طول كل جانب من جوانب المربع.

القطر الهيدروليكي للحلقة


في بعض الأحيان ، لزيادة / تقليل معدل انتقال الحرارة ، يتم تمرير سائلين عبر أنبوب حلقي بحيث يتدفق أحد السوائل خارج الآخر. يتأثر معدل انتقال الحرارة بفعل سائلين. يتم إعطاء القطر الهيدروليكي للحلقة بواسطة-    



حيث D و d هما أقطار الدائرة الخارجية والدائرة الداخلية على التوالي.




                                                                           

القطر الهيدروليكي للمثلث



أين،
l طول كل جانب.



                                                   

القطر الهيدروليكي للقطع الناقص

درهم = 4wh(64-16 هـ2)/ث + ح(64-3 هـ4)

أين ، البريد = هل/ث + ح

القطر الهيدروليكي للمبادل الحراري للوحة | القطر الهيدروليكي لمبادل حراري للقذيفة والأنبوب


المبادلات الحرارية هي أجهزة حرارية تستخدم لنقل الحرارة من مائع إلى آخر من أجل تقليل / زيادة درجة حرارة السائل حسب الرغبة. توجد أنواع كثيرة من المبادلات الحرارية ، وأكثرها استخدامًا هي المبادلات الحرارية للألواح والأنبوب الصدفي. يمكن تمرير السوائل من خلال المبادل الحراري بطريقتين. في النوع الأول ، يتم حقن كل من السوائل الساخنة والباردة في نفس الاتجاه ومن ثم يطلق عليه اسم المبادل الحراري للتدفق المتوازي. في النوع الثاني ، يتم تمرير السوائل عبر الأنبوب في اتجاهين متعاكسين ومن ثم يطلق عليه اسم مبادل حراري للتدفق العكسي.

بناءً على ذلك ، تم تصميم المبخر والمكثف. في المبخر ، تظل درجة حرارة السائل الساخن كما هي بينما يصبح السائل البارد أكثر دفئًا. في المكثف ، تظل درجة حرارة السائل البارد كما هي وتنخفض درجة حرارة السائل الأكثر سخونة.

يتم إعطاء معدل النقل في المبادل الحراري من خلال العلاقة التالية-

للسائل الساخن: سh = مh Cph (Thi - تيho )
للسائل البارد سc = مc Cpc (Tco - تيci )

عن طريق الحفاظ على الطاقة ،
الحرارة المفقودة بواسطة السائل الساخن = الحرارة المكتسبة من السائل البارد.
=> سh = سc

أين،
Qh يشير إلى الحرارة المفقودة بواسطة السائل الساخن
Qc يشير إلى الحرارة المكتسبة بواسطة السائل البارد
Thi هي درجة حرارة السائل الساخن عند المدخل
Tho هي درجة حرارة السائل الساخن عند المنفذ
Tci هي درجة حرارة السائل البارد عند المدخل
Tco هي درجة حرارة السائل البارد عند المنفذ
mh هي كتلة السائل الساخن (بالكيلو جرام)
mc هي كتلة السائل البارد (بالكيلو جرام)
Cph هي الحرارة النوعية للسائل الساخن (J / K-Kg)
Cpc هي الحرارة النوعية للسائل البارد (J / K-Kg)

في المبادلات الحرارية اللوحية ، تقطع الحرارة القسم وتفصل السوائل الساخنة والباردة. هذه يستخدم نوع المبادل الحراري في العديد من التطبيقات الصناعية. يتم استخدامها في مضخة الحرارة، وأنظمة تبريد الزيت ، ونظام تبريد المحرك ، وأنظمة التخزين الحرارية ، إلخ.
يحتوي المبادل الحراري للوحة على مقطع عرضي مستطيل / مربع ومن ثم يتم إعطاء القطر الهيدروليكي بواسطة

                                                                        Dh = 2ab / a + b            



أين،
أ و ب أطوال الجانب الأقصر والجانب الأطول على التوالي.

صفيحة تبادل حرارة
صورة ائتمانات: https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Plate_frame_1.svg



في القشرة والأنبوب اكتب مبادل حراري، يتم تثبيت الأنابيب في غلاف أسطواني. يتم تمرير كل من السوائل الساخنة والباردة عبر هذه الأنابيب بحيث يتدفق أحد السوائل خارج السائل الآخر. نتيجة لذلك ، تنتقل الحرارة من سائل إلى آخر. يستخدم المبادل الحراري من النوع الصدفي على نطاق واسع في الصناعات بشكل رئيسي في العمليات والتطبيقات الكيميائية التي تتطلب ضغطًا مرتفعًا.
أنبوب شل مبادل حراري له مقطع عرضي حلقي وبالتالي ، يتم إعطاء القطر الهيدروليكي بواسطة

                                                                               Dh = دد

قذيفة وأنبوب مبادل حراري
صورة ائتمانات: مبادل حراري ذو أنبوب مستقيم 2 تمريرات

القطر المكافئ مقابل القطر الهيدروليكي


القطر المكافئ والقطر الهيدروليكي يختلفان في القيم. قطر القناة الدائرية التي تعطي نفس الشيء الضغط يسمى الخسارة كقناة مستطيلة للتدفق المتساوي بالقطر المكافئ. على الرغم من أن القنوات الدائرية بها مساحة سطح أقل لفقدان الضغط ، إلا أنها غير مناسبة للتصنيع. من السهل تصنيع القنوات المستطيلة ومن ثم يتم استخدامها في الحالات العملية. متى معدل التدفق ومن المعروف انخفاض الضغط ، ثم لتصميم مجرى هواء مستطيل ، نستخدم مخطط الاحتكاك للعثور على القطر المكافئ ثم الأبعاد المطلوبة عن طريق تثبيت معلمات معينة مثل نسبة العرض إلى الارتفاع أو طول أي جانب.

تسمى نسبة طول الجانب الأقصر إلى الجانب الأطول باسم نسبة العرض إلى الارتفاع.

AR = أ / ب
                                                               

يمكننا إيجاد القطر المكافئ بواسطة معادلة القطر المكافئ لـ Huebscher. يظهر أدناه-
                   De = 1.30 (أب)0.625/ (أ + ب)0.25


أين،

أ و ب هما طول الضلع الأقصر والجانب الأطول على التوالي.

خلصت الدراسات الحديثة إلى أن القطر المكافئ المشتق من العلاقات التجريبية ، لا يمكن الاعتماد عليه أثناء حساب خسائر الضغط في الأنابيب. ومن ثم ، فإننا نستخدم القطر الهيدروليكي في جميع الحالات.


ما هو الفرق بين القطر الهيدروليكي والقطر المكافئ والطول المميز في ميكانيكا الموائع ونقل الحرارة؟


القطر الهيدروليكي ، كما تمت مناقشته سابقًا ، هو القطر المشتق حديثًا من مجرى غير دائري بحيث تظل خصائص التدفق كما هي. يستخدم القطر الهيدروليكي لحساب رقم رينولد مما يساعدنا على فهم ما إذا كان التدفق رقائقيًا أم عابرًا أم مضطربًا.

قطر القناة الدائرية التي تعطي نفس الشيء الضغط يسمى الخسارة كقناة مستطيلة للتدفق المتساوي بالقطر المكافئ.

يتم الحصول على فقدان الضغط في الأنبوب بواسطة معادلة دارسي-فايسباخ-  

أين،

ρ هي كثافة السائل (كجم / م ^ 3)
D هو القطر الهيدروليكي للأنبوب (بالمتر)
l طول الأنبوب (بالمتر)
v هو متوسط ​​سرعة التدفق (م / ث) الطول المميز هو أساسًا حجم نظام مقسومًا على مساحة سطحه.
يمكن أن تكون مساوية للقطر الهيدروليكي في بعض الحالات.

رياضيا ،

Lc = الخامسسطح/Aسطح

للقناة المربعة
Lc = أ

للقناة المستطيلة

م = 2 أ ب / أ + ب



في نقل الحرارة ، يتم استخدام الطول المميز لحساب عدد نسلت. تسمى نسبة انتقال الحرارة بالحمل الحراري إلى انتقال الحرارة الموصل برقم نسلت. يظهر نوع انتقال الحرارة المسيطر.
رقم Nusselt ، يتم إعطاء Nu بواسطة-

Nu = hLc/k


أين،
ح هو مقاومة للحرارة الحمل
L طول مميز
ك الموصلية الحرارية

رقم نسلت للقيمة 1 يمثل نقل الحرارة بالتوصيل النقي ، مع زيادة عدد نسلت ، يستمر انتقال الحرارة من خلال الحمل الحراري في الازدياد. عندما تقترب قيمة رقم نسلت من 100-1000 ، يسود انتقال الحرارة بالحمل الحراري. لا يمكن أن تكون قيمة رقم نسلت أقل من 1 ، يمكن أن تكون أكبر من 1 أو تساوي 1. قيمة رقم نسلت ثابتة دائمًا للتطوير الكامل تدفق الصفحي. لشكل معقد ، يتم حساب أرقام نسلت المحلية للسطح ثم يتم حساب متوسط ​​رقم نسلت باستخدام أرقام نسلت المحلية. تم استخدام متوسط ​​عدد نسلت لاستخلاص المزيد من الاستنتاجات.

ما هو الفرق بين نصف القطر الهيدروليكي والعمق الهيدروليكي / متوسط ​​العمق الهيدروليكي؟


هناك اعتقاد خاطئ بأن نصف القطر الهيدروليكي والعمق الهيدروليكي متماثلان. كلاهما له معاني مختلفة ولهما أهمية فردية أثناء قياس خصائص السوائل. تتم مناقشة مفهوم نصف القطر الهيدروليكي والعمق الهيدروليكي بالتفصيل أدناه.

تسمى نسبة مساحة المقطع العرضي للتدفق إلى المحيط المبلل باسم نصف القطر الهيدروليكي.
Rh = أ / ف

تسمى نسبة مساحة المقطع العرضي للتدفق إلى سطح الماء الحر أو عرض السطح العلوي بالعمق الهيدروليكي.

Hd = أ / ت

أين،

A هي منطقة المقطع العرضي للتدفق
T هو العرض حتى السطح العلوي أو السطح الحر.

رياضيا ، متوسط ​​العمق الهيدروليكي ونصف القطر الهيدروليكي متماثلان.

ما هي الأهمية الفيزيائية للقطر الهيدروليكي في علوم السوائل والحرارة؟


عمليًا ، يتم استخدام رقم رينولد للتحقق من سلوك أو طبيعة تدفق السوائل. وهذا بدوره يساعدنا في إيجاد رقم نسلت الذي يستخدم بعد ذلك لإيجاد معدل انتقال الحرارة من القناة المغلقة.
ومن ثم ، فإن رقم رينولد هو رقم مهم للغاية بلا أبعاد يلعب دورًا حيويًا في كل من علوم السوائل والحرارة. ولكن لإيجاد عدد رينولد ، علينا أولًا إيجاد القطر الهيدروليكي للقناة المغلقة. بالنسبة للمقاطع العرضية غير الدائرية ، يوفر القطر الهيدروليكي قيمة للقطر بحيث تكون خصائص التدفق الخاصة به مكافئة لخصائص المقطع العرضي الدائري.

تسمى نسبة انتقال الحرارة بالحمل الحراري إلى ناقل الحرارة الموصّل برقم نسلت.

يتم إعطاء رقم نسلت بالعلاقة التالية-

ل تدفق الصفحي: نو = 0.332 إعادة0.5 Pr0.33
للتدفق المضطرب: نو = 0.039 إعادة0.8 Pr0.33

أين،
يشير Re إلى رقم رينولد
تشير Pr إلى رقم Prandtl


تسمى نسبة انتشار الزخم إلى الانتشار الحراري رقم براندتل. سميت على اسم العالم الألماني لودفيج براندتل. يساعدنا هذا الرقم بلا أبعاد في الحسابات المتعلقة بـ الحمل الحراري القسري والطبيعي. تكمن أهميته في أنه يساعدنا في دراسة العلاقة بين نقل الزخم وقدرة النقل الحراري للسائل.

يتم حساب رقم Prandtl بالصيغة الواردة أدناه-

Pr = μCع / ك

أين،
Pr هو رقم Prandtl
µ ديناميكي لزوجة
Cp هي حرارة محددة

لاحظ أنه يمكن أيضًا العثور على رقم نسلت باستخدام العلاقة: Nu = hLc / k ، عندما نعرف قيم مقاومة الحرارة الحملية والموصلية.

بكلمات بسيطة ، يشكل القطر الهيدروليكي الأساس لإيجاد سلوك التدفق ومعدل حرارة نقل من السائل الذي يتدفق في قناة مغلقة. وبذلك ، فإنه يوفر لنا أيضًا عمليات حسابية سهلة عن طريق تحويل قناة غير دائرية إلى قناة دائرية.


ابهيشيك

مرحباً .... أنا أبهيشيك خامبهاتا ، لقد تابعت درجة البكالوريوس في الهندسة الميكانيكية. طوال أربع سنوات من عملي في الهندسة ، قمت بتصميم وطيران طائرات بدون طيار. موطن قوتي هو ميكانيكا الموائع والهندسة الحرارية. استند مشروعي في السنة الرابعة إلى تحسين أداء المركبات الجوية غير المأهولة باستخدام تكنولوجيا الطاقة الشمسية. أود التواصل مع الأشخاص ذوي التفكير المماثل.

آخر المقالات