Celkový tlak

Okrajové podmínky: Celkový tlak versus statický tlak

V FlowVision Pro definování tlaku na propustné hranici výpočetní domény je k dispozici několik šablon hraničních podmínek.
Tento článek pojednává o aplikaci okrajových podmínek tlaku, celkového tlaku a volného výstupu.

Pro začátek si připomeňme vlastnosti určování tlaku v FlowVision a ve fyzice:

Absolutní, referenční a relativní tlak

FlowVision používá přístup, který bere v úvahu relativní tlak. Okrajové a počáteční podmínky jsou specifikovány v relativních hodnotách, všechna tlaková pole jsou také zobrazena v relativních hodnotách. Tlak ve FlowVision je tedy relativní a roven rozdílu mezi absolutní hodnotou tlaku a referenčním tlakem: P = Pabs – Pref .

Hydrostatika. Statický tlak

Při zvažování Bernoulliho rovnice hovoříme o třech typech tlaku: dynamickém (ro*V*V/2), hmotnostním (tlak – ro*g*h) a statickém. Pokud je vektor gravitace nulový, pak relativní tlak v FlowVision podle definice odpovídá relativnímu statickému tlaku.

Pokud v projektu FlowVision pokud je dán nenulový gravitační vektor, pak bude hydrostatická složka zahrnuta do hodnoty tlaku přirozeně, protože Navier-Stokesovy rovnice budou zahrnovat objemovou gravitační sílu. V tomto případě relativní tlak v FlowVision již nebude přesně odpovídat definici statického tlaku. Nicméně, v FlowVision v tomto případě je tlak stále považován za statický, protože prostě nikde není speciální přidělování hydrostatické složky.

Pokud je kromě gravitačního vektoru definována také hydrostatická vrstva, pak ve FlowVision je relativní tlak explicitně rozdělen na statickou a hydrostatickou složku:
Tlak s hydrostatikou je roven součtu statického tlaku a hydrostatické složky tlaku: P = Pst + Phst

Ve fyzikálních proměnných jsou tedy tyto dvě složky vždy přítomny:

1. Tlak (relativní tlak bez hydrostatické složky);
2. Tlak s hydrostatikou (relativní tlak s hydrostatickou složkou).

Toto dělení je výhodné, protože není potřeba specifikovat tlak jako funkci nadmořské výšky v okrajových podmínkách a ve výchozích podmínkách. Je třeba zadat pouze statickou komponentu.

Pokud není specifikována hydrostatická hustota, pak bude tlak roven tlaku s hydrostatikou. Další informace o vlastnostech hydrostatiky naleznete v dokumentaci FlowVision.

Celkový tlak

Pro nestlačitelnou tekutinu dovnitř FlowVision Celkový tlak je definován jako součet relativního tlaku (statický relativní tlak včetně hydrostatické složky) a dynamického tlaku. Dynamický tlak se vypočítá jako ro*V^2/2.

Pro stlačitelné kapaliny je výraz složitější:

To znamená, že
pokud se nedotkneme problematiky hydrostatických vrstev, in FlowVision Relativní tlaky se používají téměř všude.
V tomto případě se uvažuje relativní statický tlak a celkový tlak. U nestlačitelné tekutiny je celkový tlak součtem statického a rychlostního tlaku.

Volný výstup

Šablona okrajových podmínek volného výstupu specifikuje hodnotu statického tlaku na výstupu.
Tuto okrajovou podmínku je vhodné použít v následujících situacích:

1. Na výstupu, kde vektory rychlosti směřují k výstupu z oblasti výpočtu;
2. Na výstupu, v případě nadzvukového proudění;
3. Na výstupu, v případě rychlosti, která může překročit nadzvukovou hodnotu v jednom nebo druhém směru.

Pro režim nadzvukového proudění funguje okrajová podmínka následovně: hodnota na GU se rovná hodnotě v buňce.

Pro podmínky podzvukového proudění funguje okrajová podmínka volného výstupu jako okrajová podmínka vstupu/výstupu se statickým tlakem.

Vstup/Výstup – Statický tlak

Vstup/výstup určený okrajovou podmínkou statického tlaku funguje takto: relativní statický tlak na hranici je roven tlaku určenému uživatelem při této okrajové podmínce. Tuto okrajovou podmínku je vhodné použít tam, kde je přesně znám statický tlak, např. měřený senzorem v experimentu. Dále je vhodné nastavit statický tlak na výstupu z přístroje, tzn. na hranici, ze které kapalina/plyn vytéká za oblast výpočtu.

Statický tlak je vhodné použít v problémech vnějšího proudění v podmínkách otevřeného prostoru, kdy tlak na hranici může být vzat rovný tlaku v nekonečnu.

Existuje však značné omezení! V případě vnějšího průtoku je přípustné použít statický tlak na GU pouze tehdy, je-li zaručen výstup průtoku přes tuto GU.

V případě interního modelování proudění je přípustný vstup přes GU určený statickým tlakem, ale pouze pokud k výstupu proudění dochází pouze přes GU s daným průtokem. Přítomnost dalších vstupních a výstupních GU je nepřijatelná, protože úloha se ukazuje jako nejistá a zrychlení průtoku na GU se statickým tlakem a přítokem je možné.

Vstup/Výstup – Plný tlak

Okrajová podmínka vstupu/výstupu definovaná celkovým tlakem má řadu omezení a funkcí:

1. Nelze jej použít na vstupu do výpočetní oblasti pro režim nadzvukového proudění (pokud vektor rychlosti na hranici směřuje dovnitř výpočetní oblasti a rychlost je vyšší než rychlost zvuku);
2. Nemá smysl ho používat jako výstupní GU, protože v tomto případě plně tlaková GU funguje jako statická tlaková GU. Tito. pokud je vektor rychlosti na hranici takové GU nasměrován mimo oblast výpočtu, pak tlak na povrch bude přesně roven tlaku specifikovanému v rozhraní GU.

Proto je vhodné aplikovat okrajovou podmínku s celkovým tlakem na vstupu do výpočetní domény pro podzvukové proudění v problémech s vnitřním prouděním (toky v kanálech, potrubích), kdy není známa přesná hodnota statického tlaku na této hranici, ale je známa hodnota tlaku v nekonečnu. Příklad je znázorněn na obrázku 1:

Některé zařízení na vstupu odebírá vzduch z otevřeného prostoru (nebo přijímače). Víme, že v tomto prostoru je tlak roven Pst inf . Fialová tečkovaná čára znázorňuje okrajové podmínky ve výpočtovém modelu. Na výstupu známe hodnotu průtoku, kterou nastavíme (hmotnostní rychlost se zápornou hodnotou).

Kromě toho, pokud se tlakové a rychlostní gradienty indukované z jádra výpočetní domény přiblíží takovému vstupu, okrajová podmínka celkového tlaku nebude pevně přichycovat tlak na pevnou hodnotu, jak by se stalo v případě statického tlaku. Formulováním problému tímto způsobem získáme přesnější a přesnější řešení.

Související články

• 2D produkce ve FlowVision 3.12.02
• Jaký model turbulence zvolit?
• Strana klienta – HLEDÁNO
• Užitečné návyky CFD kalkulačky
• 5 otázek o výpočtové mřížce

Ať už je to plyn nebo kapalina, můžeme to nazvat kapalinou. Kapaliny musí mít tlak. Tyto tlaky samozřejmě nejsou úplně stejné. Nejčastěji diskutujeme statický tlak, dynamický tlak a celkový tlak. Stačí shrnout vztah mezi nimi: stacionární tekutina má statický tlak; jakákoliv tekutina, která má rychlost nebo proudící tekutina, má dynamický tlak; celkový tlak je součtem statického tlaku a dynamického tlaku proudění tekutiny; celkový tlak = statický tlak. Tlak + dynamický tlak.

Sino-Inst je výrobcem průtokoměrů a tlakových senzorů. Proto poskytujeme uživatelům různé tlakové senzory a řešení měření průtoku po celý rok. Víme, že existuje vztah mezi tlakem tekutiny a průtokem. Pochopení tlaku tekutiny je pak důležitým předpokladem.

Co je to statický tlak?

Jednoduše řečeno, stacionární tekutina má statický tlak. Když je tekutina ve stacionární poloze, tj. žádný průtok nebo konstantní průtok, působí na tekutinu rovnoměrně pouze statický tlak.

Statický tlak = pgh

Ve skutečnosti lze statický tlak považovat za tlak vyvíjený tekutinou na pevný povrch. Příklady zahrnují stěny potrubí nebo povrch předmětu ponořeného do kapaliny. Je to důležitý parametr v různých oborech, včetně strojírenství, aerodynamiky a systémů HVAC (topení, ventilace a klimatizace).

Měření statického tlaku

Parametry statického tlaku jsou důležitými měřeními pro mnoho průmyslových procesů. Níže podrobně rozeberu aplikaci statického tlaku v průmyslových měřeních.

Při řízení procesu je měření statického tlaku klíčem k řízení a udržování normálního průtoku tekutiny (jako je plyn nebo kapalina) v potrubí a nádobách. Například v ropném a plynárenském průmyslu mohou měření statického tlaku pomoci inženýrům určit účinnost těžby ropy z vrtu a rozsah tlaku, ve kterém může být bezpečně provozován.

Při měření průtoku diferenčním tlakovým průtokoměrem je důležité přesně měřit statický tlak. Diferenční tlakové průtokoměry, jako jsou clony, Venturiho trubice a trysky, používají rozdíl mezi statickým a dynamickým tlakem k výpočtu průtoku tekutiny. Pokud je měření statického tlaku nepřesné, ovlivní to přímo přesnost měření průtoku.

Měření hladiny kapalin

Hydrostatické měření hladiny kapaliny využívá principu hydrostatického tlaku k určení výšky kapaliny měřením statického tlaku uvnitř nádoby. Tato metoda je jednoduchá a spolehlivá a je široce používána pro měření hladiny kapalin v otevřených nebo uzavřených nádobách.

Konstrukce tlakové nádoby a potrubí

Při projektování tlakových nádob a potrubí v průmyslu je nutné uvažovat o maximálním statickém tlaku, který vydrží. Měření statického tlaku poskytuje údaje o tlaku, kterému může zařízení odolat za normálních a abnormálních provozních podmínek, což zajišťuje bezpečný a spolehlivý design.

ventilační a klimatizační systém

V systémech vytápění, ventilace a klimatizace (HVAC) se k zajištění správného a účinného proudění vzduchu používá měření statického tlaku. V potrubních systémech statický tlak, který je příliš vysoký nebo příliš nízký, snižuje účinnost systému a zvyšuje spotřebu energie.

Senzor statického tlaku

Při měření statického tlaku je důležité použít správný snímač statického tlaku.

Senzory statického tlaku musí být schopny přesně měřit malé změny tlaku a musí spolehlivě fungovat za různých podmínek prostředí.

V prostředí s vysokou teplotou, vysokým tlakem nebo korozivním prostředím je výběr vhodného snímače a způsob instalace ještě důležitější.

Co je dynamický tlak?

Dynamický tlak je tlak vyvíjený tekutinou v důsledku jejího pohybu nebo rychlosti. Protékající kapalina má dynamický tlak. To přímo souvisí s rychlostí kapaliny.

Vztah mezi dynamickým tlakem a rychlostí tekutiny

Dynamický tlak je tlak vytvářený při pohybu tekutiny a přímo souvisí s rychlostí tekutiny.
Podle Bernoulliho rovnice se celková energie tekutiny skládá z jejího statického tlaku, dynamického tlaku a potenciální energie (kterou lze zanedbat, pokud je výška proudění tekutiny konstantní).
Dynamický tlak lze vyjádřit následujícím vzorcem:

Dynamický tlak = ρ/2 ⋅ v2

v:
ρ — hustota kapaliny,
v je rychlost tekutiny.

Tento vztah ukazuje, že dynamický tlak tekutiny je úměrný druhé mocnině její rychlosti. Měřením dynamického tlaku tekutiny tedy můžeme určit rychlost tekutiny, která je kritická pro výpočet průtoku a monitorování průtoku.

Dynamické měření tlaku

Dynamický tlak se obvykle měří pomocí pitotovy trubice, což je jednoduché zařízení s otvorem obráceným k toku. Pitotova trubice měří jak celkový tlak, tak statický tlak tekutiny, přičemž dynamický tlak se vypočítává z rozdílu mezi těmito dvěma. Pro přesné měření kapalin s nižší rychlostí se někdy používá pitot-statická trubice se zesilovačem.

Kromě pitotovy trubice existují i ​​jiné metody měření dynamického tlaku, jako např.

• Průtokoměr diferenčního tlaku: Průtok se odhaduje měřením rozdílu tlaku před a po průchodu tekutiny přes omezovač nebo škrticí zařízení.
• Hot Wire Anemometer: Používá efekt přenosu tepla tekutiny k odhadu dynamického tlaku a poté k výpočtu průtoku.
• Laserový Dopplerův průtokoměr: Používá laserový Dopplerův efekt k měření rychlosti částic v tekutině a určení dynamického tlaku.

Dynamický tlakový senzor

Senzor tlaku speciálně navržený pro měření dynamického tlaku v proudu tekutiny lze nazvat senzor dynamického tlaku.

Dynamické tlakové senzory využívají různé technologie snímání k převodu tlaku na elektrické signály, které lze měřit a analyzovat. Některé běžné typy snímačů dynamického tlaku zahrnují piezoelektrické, piezorezistivní a kapacitní snímače.

Ve skutečnosti však máme také profesionální snímač dynamického tlaku, nazývaný také vysokofrekvenční snímač dynamického tlaku. Vlastní frekvence snímače může dosáhnout 1–2 MHz a může měřit vysokofrekvenční změny tlaku v rozsahu šířky pásma 0–200 kHz. Rozsah tlaku je -100kPa~0~10kPa. 100MPa. Upřednostňované řešení pro dynamické měření tlaku.