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Wasserfluss

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In gesättigtem Boden können Situationen auftreten, in denen Druckschwankungen auftreten. Diese Schwankungen wiederum erzeugen einen Fluss, der in diesem Fall innerhalb der Bodenporen stattfinden sollte. Da diese Poren im Bereich von Mikrometern oder zehn Mikrometern liegen, neigt der Fluss aufgrund der niedrigen Reynoldszahlen dazu, laminar zu sein.

>Modell

ID:(369, 0)



Wasserfluss

Beschreibung

In gesättigtem Boden können Situationen auftreten, in denen Druckschwankungen auftreten. Diese Schwankungen wiederum erzeugen einen Fluss, der in diesem Fall innerhalb der Bodenporen stattfinden sollte. Da diese Poren im Bereich von Mikrometern oder zehn Mikrometern liegen, neigt der Fluss aufgrund der niedrigen Reynoldszahlen dazu, laminar zu sein.

Variablen

Symbol
Text
Variable
Wert
Einheiten
Berechnen
MKS-Wert
MKS-Einheiten
$S$
S
Abschnitt
m^2
$S$
S
Abschnitt Fluss
m^2
$\Delta z$
Dz
Abstand zwischen Oberflächen
m
$Re$
Re
Anzahl der Reynold
-
$\rho$
rho
Dichte
kg/m^3
$p_i$
p_i
Druck in der Ausgangsposition
Pa
$p_e$
p_e
Druck in Endlage (e)
Pa
$j_s$
j_s
Flussdichte
m/s
$v$
v
Geschwindigkeit auf einer Zylinder-Radio
m/s
$\Delta v$
Dv
Geschwindigkeitsunterschied zwischen Oberflächen
m/s
$R_h$
R_h
Hydraulic Resistance
kg/m^4s
$G_h$
G_h
Hydraulische Leitfähigkeit
m^4s/kg
$k$
k
Hydrodynamische Permeabilität
m^2
$v_{max}$
v_max
Maximale Durchflussrate
m/s
$v$
v
Mittlere Geschwindigkeit der Flüssigkeit
m/s
$S$
S
Oberfläche einer Scheibe
m^2
$L_i$
L_i
Position am Anfang des Rohres
m
$L_e$
L_e
Positionieren am Ende des Rohres
m
$\Delta L$
DL
Rohrlänge
m
$R$
R
Rohrradius
m
$r$
r
Scheibenradius
m
$R$
R
Typische Abmessungen des Systems
m
$\Delta p$
Dp
Variación de la Presión
Pa
$F_v$
F_v
Viscose Kraft
N
$\eta$
eta
Viskosität
Pa s
$V$
V
Volume
m^3
$J_V$
J_V
Volumenstrom
m^3/s
$t$
t
Zeit
s
$r$
r
Zylinder-Stern Position
m

Berechnungen


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Symbol
Gleichung
Gelöst
Übersetzt

Berechnungen

Symbol
Gleichung
Gelöst
Übersetzt

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Gleichungen

Wenn wir die Hydraulische Leitfähigkeit ($G_h$) betrachten, k nnen wir feststellen, dass der Z hler den Querschnitt des Rohrs enth lt, der als $\pi R^2$ dargestellt wird. Hier entspricht der Rohrradius ($R$) einer Eigenschaft der Fl ssigkeit, die Viskosität ($\eta$) steht im Zusammenhang mit der Viskosit t der Fl ssigkeit, und der Rohrlänge ($\Delta L$) bezieht sich auf den erzeugten Druckgradienten.

$ G_h =\displaystyle\frac{ \pi R ^4}{8 \eta | \Delta L | }$



Somit kann der Faktor, der spezifisch f r die Geometrie der Poren ist, als die Hydrodynamische Permeabilität ($k$) mit der folgenden Formel definiert werden:

$ k = \displaystyle\frac{ R ^2}{8}$

(ID 108)

Wenn wir das Profil von ERROR:5449,0 f r ein Fluid in einem zylindrischen Kanal betrachten, in dem die Geschwindigkeit auf einer Zylinder-Radio ($v$) in Abh ngigkeit von ERROR:10120,0 gem folgendem Ausdruck variiert:

$ v = v_{max} \left(1-\displaystyle\frac{ r ^2}{ R ^2}\right)$



unter Verwendung von der Rohrradius ($R$) und die Maximale Durchflussrate ($v_{max}$). K nnen wir die Maximale Durchflussrate ($v_{max}$) mithilfe von die Viskosität ($\eta$), die Druckunterschied ($\Delta p$) und der Rohrlänge ($\Delta L$) wie folgt berechnen:

$ v_{max} =-\displaystyle\frac{ R ^2}{4 \eta }\displaystyle\frac{ \Delta p }{ \Delta L }$



Wenn wir die Geschwindigkeit ber den Querschnitt des Kanals integrieren, erhalten wir der Volumenstrom ($J_V$), definiert als das Integral von $\pi r v(r)$ bez glich ERROR:10120,0 von $0$ bis ERROR:5417,0. Dieses Integral kann wie folgt vereinfacht werden:

$J_V=-\displaystyle\int_0^Rdr \pi r v(r)=-\displaystyle\frac{R^2}{4\eta}\displaystyle\frac{\Delta p}{\Delta L}\displaystyle\int_0^Rdr \pi r \left(1-\displaystyle\frac{r^2}{R^2}\right)$



Die Integration f hrt zur resultierenden Hagen-Poiseuille-Gesetz:

$ J_V =-\displaystyle\frac{ \pi R ^4}{8 \eta }\displaystyle\frac{ \Delta p }{ \Delta L }$

(ID 3178)

Der Volumenstrom ($J_V$) kann aus die Hydraulische Leitfähigkeit ($G_h$) und die Druckunterschied ($\Delta p$) unter Verwendung der folgenden Gleichung berechnet werden:

$ J_V = G_h \Delta p $



Weiterhin, unter Verwendung der Beziehung f r die Hydraulic Resistance ($R_h$):

$ R_h = \displaystyle\frac{1}{ G_h }$



ergibt sich:

$ \Delta p = R_h J_V $

(ID 3179)

Da die viskose Kraft gegeben ist als

$ F_v =- S \eta \displaystyle\frac{ \Delta v }{ \Delta z }$



und die Oberfl che des Zylinders ist

$S=2\pi R L$



wobei $R$ der Radius und $L$ die L nge des Kanals ist, kann die viskose Kraft ausgedr ckt werden als

$ F_v =-2 \pi r \Delta L \eta \displaystyle\frac{ dv }{ dr }$

wobei $\eta$ die Viskosit t repr sentiert und $dv/dr$ den Geschwindigkeitsgradienten zwischen der Wand und dem Fluss darstellt.

(ID 3623)

Wenn eine die Druckunterschied ($\Delta p_s$) auf einen Abschnitt mit einer Fl che von $\pi R^2$ wirkt, wobei der Rohrradius ($R$) als der Krümmung Radio ($r$) fungiert, erzeugt sie eine Kraft, die wie folgt dargestellt wird:

$\pi r^2 \Delta p$



Diese Kraft treibt die Fl ssigkeit gegen den Viskosewiderstand an, der durch folgenden Ausdruck gegeben ist:

$ F_v =-2 \pi r \Delta L \eta \displaystyle\frac{ dv }{ dr }$



Durch das Gleichsetzen dieser beiden Kr fte erhalten wir:

$\pi r^2 \Delta p = \eta 2\pi r \Delta L \displaystyle\frac{dv}{dr}$



Dies f hrt zu folgender Gleichung:

$\displaystyle\frac{dv}{dr} = \displaystyle\frac{1}{2\eta}\displaystyle\frac{\Delta p}{\Delta L} r$



Wenn wir diese Gleichung von einer Position, die durch der Krümmung Radio ($r$) definiert ist, bis zum Rand, wo der Rohrradius ($R$) ist (unter Ber cksichtigung, dass die Geschwindigkeit am Rand null ist), integrieren, k nnen wir die Geschwindigkeit auf einer Zylinder-Radio ($v$) als Funktion von der Krümmung Radio ($r$) erhalten:

$ v = v_{max} \left(1-\displaystyle\frac{ r ^2}{ R ^2}\right)$



Dabei ist:

$ v_{max} =-\displaystyle\frac{ R ^2}{4 \eta }\displaystyle\frac{ \Delta p }{ \Delta L }$



die Maximale Durchflussrate ($v_{max}$) in der Mitte des Flusses.

(ID 3627)

Da die Hydraulic Resistance ($R_h$) gem der folgenden Gleichung gleich die Hydraulische Leitfähigkeit ($G_h$) ist:

$ R_h = \displaystyle\frac{1}{ G_h }$



und da die Hydraulische Leitfähigkeit ($G_h$) wie folgt in Bezug auf die Viskosität ($\eta$), der Rohrradius ($R$) und der Rohrlänge ($\Delta L$) ausgedr ckt wird:

$ G_h =\displaystyle\frac{ \pi R ^4}{8 \eta | \Delta L | }$



k nnen wir folgern, dass:

$ R_h =\displaystyle\frac{8 \eta | \Delta L | }{ \pi R ^4}$

(ID 3629)

Der Fluss wird als das Volumen der Volumenelement ($\Delta V$) geteilt durch die Zeit der Abgelaufene Zeit ($\Delta t$) definiert, was durch die folgende Gleichung ausgedr ckt wird:

$ J_V =\displaystyle\frac{ \Delta V }{ \Delta t }$



und das Volumen ist das Produkt der Querschnittsfl che die Rohr Sektion ($S$) mit dem zur ckgelegten Weg der Rohrelement ($\Delta s$):

$ \Delta V = S \Delta s $



Da der zur ckgelegte Weg der Rohrelement ($\Delta s$) pro Zeiteinheit der Abgelaufene Zeit ($\Delta t$) der Geschwindigkeit entspricht, wird dies durch die folgende Gleichung dargestellt:

$ j_s =\displaystyle\frac{ \Delta s }{ \Delta t }$



Somit ist der Fluss eine Flussdichte ($j_s$), der mit der folgenden Gleichung berechnet wird:

$ j_s = \displaystyle\frac{ J_V }{ S }$

(ID 4349)

Die Definition von der Volumenstrom ($J_V$) ist der Volumenelement ($\Delta V$) w hrend der Abgelaufene Zeit ($\Delta t$):

$ J_V =\displaystyle\frac{ \Delta V }{ \Delta t }$



was im Grenzfall eines infinitesimal kleinen Zeitintervalls der Ableitung von der Volume ($V$) bez glich der Zeit ($t$) entspricht:

$ J_V =\displaystyle\frac{ dV }{ dt }$

(ID 12713)

Wenn wir das Hagen-Poiseuille-Gesetz betrachten, das es uns erm glicht, der Volumenstrom ($J_V$) aus der Rohrradius ($R$), die Viskosität ($\eta$), der Rohrlänge ($\Delta L$) und die Druckunterschied ($\Delta p$) zu berechnen:

$ J_V =-\displaystyle\frac{ \pi R ^4}{8 \eta }\displaystyle\frac{ \Delta p }{ \Delta L }$



k nnen wir die Hydraulische Leitfähigkeit ($G_h$) einf hren, das in Bezug auf der Rohrlänge ($\Delta L$), der Rohrradius ($R$) und die Viskosität ($\eta$) definiert ist:

$ G_h =\displaystyle\frac{ \pi R ^4}{8 \eta | \Delta L | }$



um zu folgendem Ergebnis zu gelangen:

$ J_V = G_h \Delta p $

(ID 14471)


Beispiele


(ID 15202)

Die erhaltene L sung f r die H he und die Parameter der Strömung an einem Referenzpunkt ($j_{s0}$) und die Referenzhöhe der Wassersäule ($h_0$) zeigt uns, dass die Flussdichte ($j_s$) gleich ist:

$ \displaystyle\frac{ j_s }{ j_{s0} } = \displaystyle\frac{1}{\sqrt{1 - \displaystyle\frac{ 2 x }{ s_0 }}} $



Wir k nnen die Flussdichte ($j_s$) graphisch in Bezug auf die zus tzlichen Faktoren $j_s/j_{s0}$ und $x/x_0$ wie folgt darstellen:



die Flussdichte ($j_s$) steigt weiter an, wenn wir uns dem Kanal n hern, da die Höhe der Wassersäule am Boden ($h$) abnimmt. Dieser Anstieg ist notwendig, um die Flie geschwindigkeit in die Flussdichte ($j_s$) aufrechtzuerhalten oder alternativ zu erh hen.

(ID 7827)

Wenn ein mit Fl ssigkeit gef lltes Rohr mit einer Viskosit t von ERROR:5422,0 Die Druck in der Ausgangsposition ($p_i$) bei der Position am Anfang des Rohres ($L_i$) und die Druck in Endlage (e) ($p_e$) bei der Positionieren am Ende des Rohres ($L_e$) ausgesetzt wird, entsteht entlang von der Rohrlänge ($\Delta L$) Eine Druckunterschied ($\Delta p_s$), was das Profil von die Geschwindigkeit auf einer Zylinder-Radio ($v$) ergibt:



Bei Str mungen mit niedrigen Werten von der Anzahl der Reynold ($Re$), wo die Viskosit t bedeutender ist als die Tr gheit der Fl ssigkeit, entwickelt sich der Fluss laminar, das hei t ohne das Vorhandensein von Turbulenzen.

(ID 2218)

Im laminaren Fluss bewegen sich benachbarte Schichten, und zwischen ihnen wirkt eine durch die Viskosit t erzeugte Kraft. Die schnellere Schicht zieht ihre langsamere Nachbarschicht mit, w hrend die langsamere Schicht den Fortschritt der schnelleren einschr nkt.

Daher ist die Kraft die Viscose Kraft ($F_v$), die von ERROR:10119.1 ber die andere erzeugt wird, eine Funktion von ERROR:5556.1, ERROR:5436.1 und ERROR:5422.1, wie in der folgenden Gleichung dargestellt:

$ F_v =- S \eta \displaystyle\frac{ \Delta v }{ \Delta z }$



illustriert im folgenden Diagramm:

(ID 7053)

Der laminare Fluss um einen Zylinder kann als mehrere zylindrische Schichten dargestellt werden, die unter dem Einfluss benachbarter Schichten gleiten. In diesem Fall wird die Viscose Kraft ($F_v$) mit der Rohrlänge ($\Delta L$), die Viskosität ($\eta$) und den Variablen die Zylinder-Stern Position ($r$) und die Geschwindigkeit auf einer Zylinder-Radio ($v$) wie folgt ausgedr ckt:

$ F_v =-2 \pi r \Delta L \eta \displaystyle\frac{ dv }{ dr }$



Die Schicht am Rand bei ERROR:5417.1 bleibt aufgrund des Randeffekts stehen und verlangsamt durch die Viskosität ($\eta$) die benachbarte Schicht, die eine Geschwindigkeit hat.

Das Zentrum ist der Teil, der sich mit die Maximale Durchflussrate ($v_{max}$) bewegt und die umgebende Schicht mitzieht. Diese Schicht zieht wiederum die n chste Schicht und so weiter, bis sie die Schicht erreicht, die Kontakt mit der Zylinderwand hat, die sich nicht bewegt.



Auf diese Weise bertr gt das System Energie von der Mitte zur Wand und erzeugt ein Geschwindigkeitsprofil, das wie folgt dargestellt wird:

$ v = v_{max} \left(1-\displaystyle\frac{ r ^2}{ R ^2}\right)$



mit:

$ v_{max} =-\displaystyle\frac{ R ^2}{4 \eta }\displaystyle\frac{ \Delta p }{ \Delta L }$

(ID 7057)

Das Profil von die Geschwindigkeit auf einer Zylinder-Radio ($v$) in der Positionsradius in einem Rohr ($r$) erm glicht es uns, der Volumenstrom ($J_V$) in einem Rohr durch Integration ber die gesamte Oberfl che zu berechnen, was zur bekannten Hagen-Poiseuille-Gesetz f hrt.



Das Ergebnis ist eine Gleichung, die von ERROR:5417,0 zur vierten Potenz abh ngt. Es ist jedoch entscheidend zu beachten, dass dieses Str mungsprofil nur im Falle einer laminaren Str mung g ltig ist.

Daraus ergibt sich mit die Viskosität ($\eta$), dass der Volumenstrom ($J_V$) vor ein Rohrlänge ($\Delta L$) und eine Variación de la Presión ($\Delta p$) die Ausdruck:

$ J_V =-\displaystyle\frac{ \pi R ^4}{8 \eta }\displaystyle\frac{ \Delta p }{ \Delta L }$

Die Originalarbeiten, die zu diesem Gesetz mit einem kombinierten Namen f hrten, waren:

"Ueber die Gesetze, welche des der Strom des Wassers in r hrenf rmigen Gef ssen bestimmen", Gotthilf Hagen, Annalen der Physik und Chemie 46:423442 (1839).

"Recherches exp rimentales sur le mouvement des liquides dans les tubes de tr s-petits diam tres" (Experimentelle Untersuchungen zur Bewegung von Fl ssigkeiten in R hren mit sehr kleinen Durchmessern), Jean-Louis-Marie Poiseuille, Comptes Rendus de l'Acad mie des Sciences 9:433544 (1840).

(ID 2216)

W hrend ein Abgelaufene Zeit ($\Delta t$) bewegt sich die Fl ssigkeit mit eine Mittlere Geschwindigkeit der Flüssigkeit ($v$) um ein Rohrelement ($\Delta s$). Wenn die Abschnitt ($S$) die Menge an Fl ssigkeit darstellt, die in der Abgelaufene Zeit ($\Delta t$) diesen Abschnitt durchquert, wird sie wie folgt berechnet:

$\Delta V = S \Delta s = Sv \Delta t$



Diese Gleichung besagt, dass das Volumen der Fl ssigkeit, das w hrend ein Abgelaufene Zeit ($\Delta t$) durch den Abschnitt die Abschnitt ($S$) flie t, gleich dem Produkt aus der Querschnittsfl che und der zur ckgelegten Distanz der Fl ssigkeit in dieser Zeit ist.



Dies erleichtert die Berechnung von der Volumenelement ($\Delta V$), dem Volumen der Fl ssigkeit, das in einem bestimmten Zeitraum von der Abgelaufene Zeit ($\Delta t$) durch den Kanal flie t, entsprechend der Volumenstrom ($J_V$).

$ J_V =\displaystyle\frac{ \Delta V }{ \Delta t }$

(ID 2212)


(ID 15221)


ID:(369, 0)