I problemi di flusso del gas costano ai produttori miliardi di euro all'anno in termini di sprechi energetici e guasti ai sistemi. Spesso gli ingegneri applicano i principi del flusso dei liquidi ai sistemi a gas, causando errori di calcolo catastrofici. La comprensione dei principi del flusso di gas previene costosi errori di progettazione e rischi per la sicurezza.
Il principio del flusso di gas è governato dall'equazione di continuità, dalla conservazione della quantità di moto e dalla conservazione dell'energia, in cui velocità, pressione, densità e temperatura del gas interagiscono attraverso flusso comprimibile1 equazioni fondamentalmente diverse dal flusso liquido incomprimibile.
Due anni fa ho lavorato con un ingegnere chimico britannico di nome Sarah Thompson, il cui sistema di distribuzione del gas naturale presentava pericolose fluttuazioni di pressione. Il suo team utilizzava calcoli di flusso incomprimibile per il flusso di gas comprimibile. Dopo aver implementato i corretti principi di flusso del gas, abbiamo eliminato gli sbalzi di pressione e ridotto il consumo energetico di 35%.
Indice dei contenuti
- Quali sono i principi fondamentali che regolano il flusso di gas?
- In che modo le equazioni del flusso comprimibile differiscono da quelle del flusso dei liquidi?
- Quali fattori influenzano il comportamento del flusso di gas nei sistemi industriali?
- Come interagiscono pressione, temperatura e velocità nel flusso di gas?
- Quali sono i diversi tipi di regimi di flusso del gas?
- Come calcolare e ottimizzare il flusso di gas nelle applicazioni industriali?
- Conclusione
- Domande frequenti sui principi del flusso di gas
Quali sono i principi fondamentali che regolano il flusso di gas?
Il flusso di gas opera in base alle tre leggi di conservazione fondamentali che governano tutto il moto dei fluidi, ma con caratteristiche uniche dovute alla compressibilità del gas e alle variazioni di densità.
I principi del flusso dei gas si basano sulla conservazione della massa (equazione di continuità), sulla conservazione della quantità di moto (seconda legge di Newton) e sulla conservazione dell'energia (prima legge della termodinamica), modificata per il comportamento dei fluidi comprimibili.
Conservazione della massa (equazione di continuità)
L'equazione di continuità per il flusso di gas tiene conto delle variazioni di densità che si verificano a causa delle variazioni di pressione e temperatura, a differenza dei liquidi incomprimibili.
Equazione di continuità del flusso di gas:
∂ρ/∂t + ∇-(ρV) = 0
Per un flusso costante: ρ₁A₁V₁ = ρ₂A₂V₂
Dove:
- ρ = densità del gas (varia con la pressione e la temperatura)
- A = Area della sezione trasversale
- V = Velocità del gas
- t = Tempo
Implicazioni fondamentali:
- La densità dei gas cambia con la pressione e la temperatura
- La portata massica rimane costante nel flusso costante
- La velocità aumenta al diminuire della densità
- Le variazioni di area influenzano sia la velocità che la densità
Conservazione del momento
La conservazione del momento nel flusso di gas considera le forze di pressione, le forze viscose e le forze del corpo che agiscono sul fluido comprimibile.
Equazione del momento (Navier-Stokes2):
ρ(∂V/∂t + V-∇V) = -∇p + μ∇²V + ρg
Per applicazioni con flusso di gas:
- Il termine di gradiente di pressione domina nel flusso ad alta velocità
- Effetti viscosi importanti in prossimità delle pareti e nel flusso laminare
- Gli effetti di comprimibilità diventano significativi al di sopra di 0,3 Mach.
Conservazione dell'energia
La conservazione dell'energia per il flusso di gas comprende l'energia cinetica, l'energia potenziale, l'energia interna e il lavoro del flusso, tenendo conto delle variazioni di temperatura dovute alla compressione e all'espansione.
Equazione dell'energia:
h + V²/2 + gz = costante (lungo la linea di flusso)
Dove:
- h = Entalpia specifica (comprende l'energia interna e il lavoro di flusso)
- V²/2 = energia cinetica per unità di massa
- gz = Energia potenziale per unità di massa
Considerazioni energetiche:
| Forma di energia | Impatto del flusso di gas | Magnitudo tipica |
|---|---|---|
| Energia cinetica | Significativo a velocità elevate | V²/2 |
| Energia di pressione | Dominante nella maggior parte delle applicazioni | p/ρ |
| Energia interna | Cambiamenti con la temperatura | CᵥT |
| Lavoro di flusso | Necessario per il movimento del gas | pv |
Equazione di Stato
Il flusso di gas richiede un'equazione di stato per mettere in relazione pressione, densità e temperatura, in genere la legge dei gas ideali per la maggior parte delle applicazioni industriali.
Legge dei gas ideali:
p = ρRT
Dove:
- p = Pressione assoluta
- ρ = densità del gas
- R = costante specifica dei gas
- T = Temperatura assoluta
Per i gas reali, possono essere necessarie equazioni di stato più complesse, come le equazioni di van der Waals o di Redlich-Kwong.
In che modo le equazioni del flusso comprimibile differiscono da quelle del flusso dei liquidi?
Il flusso di gas comprimibile presenta un comportamento fondamentalmente diverso dal flusso di liquidi incomprimibili, che richiede metodi di analisi e considerazioni progettuali specifiche.
Il flusso comprimibile si differenzia per le variazioni di densità, le limitazioni di velocità sonica, la formazione di onde d'urto e l'accoppiamento temperatura-pressione che non si verificano nei sistemi di flusso liquido incomprimibile.
Effetti della variazione di densità
La densità del gas varia in modo significativo con la pressione e la temperatura, influenzando i modelli di flusso, le distribuzioni di velocità e i requisiti di progettazione del sistema.
Impatti del cambiamento di densità:
- Velocità Accelerazione: Il gas accelera quando si espande
- Caduta di pressione: Relazioni pressione-flusso non lineari
- Effetti della temperatura: Densità inversamente proporzionale alla temperatura
- Flusso strozzato: Limiti di portata massima
Velocità sonica e numero di Mach
Il comportamento del flusso di gas cambia drasticamente quando la velocità si avvicina a quella del suono, creando limitazioni critiche di progettazione non presenti nei sistemi a liquido.
Calcolo della velocità sonica:
a = √(γRT)
Dove:
- a = velocità del suono nel gas
- γ = Rapporto di calore specifico (Cp/Cv)
- R = costante specifica dei gas
- T = Temperatura assoluta
Numero di Mach3 Significato:
M = V/a (rapporto tra velocità e velocità sonica)
| Gamma Mach | Regime di flusso | Caratteristiche |
|---|---|---|
| M < 0.3 | Incompressibile | Densità essenzialmente costante |
| 0.3 < M < 1.0 | Subsonico comprimibile | Variazioni significative della densità |
| M = 1.0 | Sonico | Condizioni di flusso critiche |
| M > 1.0 | Supersonico | Possibilità di onde d'urto |
Fenomeno del flusso strozzato
Flusso strozzato4 si verifica quando la velocità del gas raggiunge condizioni soniche, limitando la portata massima indipendentemente dalla riduzione della pressione a valle.
Condizioni di flusso strozzato:
- Portata massica massima raggiunta
- Le variazioni di pressione a valle non influiscono sul flusso a monte
- Rapporto di pressione critico: p₂/p₁ ≈ 0,53 per l'aria
- Comune in ugelli, orifizi e valvole di controllo
Accoppiamento temperatura-pressione
Il flusso di gas comporta significative variazioni di temperatura dovute all'espansione e alla compressione, che influiscono sulle prestazioni e sulla progettazione del sistema.
Processi termodinamici:
- Flusso isentropico: Processo reversibile e adiabatico
- Flusso isotermico: Temperatura costante (flusso lento con trasferimento di calore)
- Flusso adiabatico: Nessun trasferimento di calore (flusso rapido)
- Flusso politropico: Caso generale con trasferimento di calore
Quali fattori influenzano il comportamento del flusso di gas nei sistemi industriali?
Il comportamento del flusso di gas nelle applicazioni industriali è influenzato da molteplici fattori, che richiedono un'analisi completa per una progettazione e un funzionamento corretti del sistema.
I fattori chiave includono le proprietà del gas, la geometria del sistema, le condizioni operative, gli effetti del trasferimento di calore e l'attrito delle pareti che determinano complessivamente i modelli di flusso, le perdite di carico e le prestazioni del sistema.
Proprietà del gas Impatto
I diversi gas presentano caratteristiche di flusso variabili in base alle loro proprietà molecolari, ai rapporti di calore specifico e al comportamento termodinamico.
Proprietà critiche dei gas:
| Proprietà | Simbolo | Impatto sul flusso | Valori tipici |
|---|---|---|---|
| Rapporto di calore specifico | γ | Velocità sonica, espansione | 1,4 (aria), 1,3 (CO₂) |
| Costante del gas | R | Relazione densità-pressione | 287 J/kg-K (aria) |
| Viscosità | μ | Perdite per attrito | 1,8×10-⁵ Pa-s (aria) |
| Peso molecolare | M | Densità a condizioni date | 29 kg/kmol (aria) |
Effetti della geometria del sistema
Il diametro, la lunghezza, i raccordi e le variazioni dell'area di flusso dei tubi influenzano in modo significativo i modelli di flusso del gas e le perdite di pressione.
Considerazioni sulla geometria:
- Diametro del tubo: Influenza la velocità e le perdite per attrito
- Lunghezza: Determina la perdita di carico totale per attrito
- Modifiche dell'area: Creare effetti di accelerazione/decelerazione
- Raccordi: Causa perdite di pressione locali
- Ruvidità della superficie: Influenza il fattore di attrito
Pressione e temperatura di esercizio
Le condizioni operative del sistema influenzano direttamente la densità del gas, la viscosità e il comportamento del flusso attraverso relazioni termodinamiche.
Effetti delle condizioni operative:
- Alta pressione: Aumenta la densità, riduce gli effetti di comprimibilità
- Bassa pressione: Diminuisce la densità, aumenta la velocità
- Alta temperatura: Riduce la densità, aumenta la velocità sonica
- Bassa temperatura: Aumenta la densità, può causare condensa
Effetti del trasferimento di calore
L'aggiunta o la rimozione di calore durante il flusso di gas influisce significativamente sulle distribuzioni di temperatura, densità e pressione.
Scenari di trasferimento del calore:
- Riscaldamento: Aumenta la temperatura, riduce la densità, accelera il flusso
- Raffreddamento: Diminuisce la temperatura, aumenta la densità, decelera il flusso.
- Adiabatico: Nessun trasferimento di calore, variazioni di temperatura dovute all'espansione/compressione.
- Isotermico: Temperatura costante mantenuta attraverso il trasferimento di calore
Impatto dell'attrito della parete
L'attrito tra il gas e le pareti del tubo crea perdite di pressione e influisce sui profili di velocità, particolarmente importanti nelle condotte lunghe.
Calcolo della perdita per attrito:
Δp = f × (L/D) × (ρV²/2)
Dove:
- f = fattore di attrito (funzione del numero di Reynolds e della rugosità)
- L = Lunghezza del tubo
- D = Diametro del tubo
- ρ = densità del gas
- V = Velocità del gas
Come interagiscono pressione, temperatura e velocità nel flusso di gas?
L'interazione tra pressione, temperatura e velocità nel flusso di gas crea relazioni complesse che devono essere comprese per una corretta progettazione e analisi del sistema.
Le interazioni del flusso di gas seguono relazioni termodinamiche in cui le variazioni di pressione influenzano la temperatura e la densità, le variazioni di velocità influenzano la pressione attraverso gli effetti della quantità di moto e le variazioni di temperatura influenzano tutte le altre proprietà attraverso l'equazione di stato.
Relazioni pressione-velocità
La velocità e la pressione del gas sono inversamente correlate attraverso l'equazione di Bernoulli modificata per il flusso comprimibile, creando sfide di progettazione uniche.
Equazione di Bernoulli modificata per il flusso di gas:
∫dp/ρ + V²/2 + gz = costante
Per un gas ideale: γ/(γ-1) × (p/ρ) + V²/2 = costante
Effetti pressione-velocità:
- Caduta di pressione: Provoca un aumento di velocità dovuto all'espansione del gas
- Aumento della velocità: Può causare un'ulteriore caduta di pressione per effetto del momento
- Accelerazione: Si verifica naturalmente quando il gas si espande nel sistema
- Decelerazione: Richiede un aumento della pressione o un'espansione dell'area
Accoppiamento temperatura-velocità
La temperatura e la velocità del gas sono accoppiate attraverso la conservazione dell'energia e le variazioni di temperatura influenzano le proprietà del gas e il comportamento del flusso.
Relazioni temperatura-velocità:
T₀ = T + V²/(2Cp)
Dove:
- T₀ = Temperatura di ristagno (totale)
- T = Temperatura statica
- V = Velocità del gas
- Cp = calore specifico a pressione costante
Implicazioni pratiche:
- Il flusso di gas ad alta velocità riduce la temperatura statica
- La temperatura di ristagno rimane costante nel flusso adiabatico
- Le variazioni di temperatura influenzano la densità e la viscosità del gas
- Il raffreddamento può causare la condensazione di alcuni gas
Effetti della pressione e della temperatura
La pressione e la temperatura interagiscono attraverso l'equazione di stato e i processi termodinamici, influenzando la densità del gas e le caratteristiche del flusso.
Relazioni termodinamiche di processo:
| Tipo di processo | Relazione pressione-temperatura | Applicazione |
|---|---|---|
| Isentropico | p/p₀ = (T/T₀)^(γ/(γ-1)) | Ugelli, diffusori |
| Isotermico | pV = costante, T = costante | Flusso lento con trasferimento di calore |
| Isobarica | p = costante | Riscaldamento a pressione costante |
| Isocorico | V = costante | Riscaldamento a volume costante |
Variazioni di densità
La densità del gas varia con la pressione e la temperatura secondo la legge dei gas ideali, creando un comportamento di flusso complesso.
Calcolo della densità:
ρ = p/(RT)
Effetti della densità sul flusso:
- Alta densità: Velocità inferiore per una data portata massica
- Bassa densità: Velocità più elevata, potenziali effetti di compressibilità
- Gradienti di densità: Creare effetti di galleggiamento e miscelazione
- Variazioni di densità: Influenza il trasferimento di quantità di moto e di energia
Di recente ho aiutato un ingegnere americano del gas naturale, Robert Chen, in Texas, a ottimizzare il suo sistema di condotte. Tenendo adeguatamente conto delle interazioni temperatura-pressione-velocità, abbiamo ridotto l'energia di pompaggio di 28%, aumentando al tempo stesso la capacità di transito di 15%.
Quali sono i diversi tipi di regimi di flusso del gas?
Il flusso di gas presenta diversi regimi in base alla velocità, alle condizioni di pressione e alla geometria del sistema, ciascuno dei quali richiede metodi di analisi e considerazioni progettuali specifiche.
I regimi di flusso del gas comprendono il flusso laminare, turbolento, subsonico, sonico e supersonico, ciascuno caratterizzato da diversi profili di velocità, rapporti di pressione e caratteristiche di trasferimento del calore.
Flusso laminare vs. flusso turbolento
Le transizioni del flusso di gas da laminare a turbolento si basano su Numero di Reynolds5che influenzano le perdite di pressione, il trasferimento di calore e le caratteristiche di miscelazione.
Numero di Reynolds per il flusso di gas:
Re = ρVD/μ
Dove:
- ρ = densità del gas (varia con la pressione e la temperatura)
- V = Velocità media
- D = Diametro del tubo
- μ = viscosità dinamica
Classificazioni dei regimi di flusso:
| Numero di Reynolds | Regime di flusso | Caratteristiche |
|---|---|---|
| Re < 2300 | Laminare | Flusso regolare e prevedibile |
| 2300 < Re < 4000 | La transizione | Comportamento instabile e misto |
| Re > 4000 | Turbolento | Miscelazione caotica e potenziata |
Regime di flusso subsonico
Il flusso subsonico si verifica quando la velocità del gas è inferiore alla velocità locale del suono, consentendo ai disturbi di pressione di propagarsi a monte.
Caratteristiche del flusso subsonico:
- Numero di Mach: M < 1.0
- Propagazione della pressione: Le perturbazioni viaggiano a monte
- Controllo del flusso: Le condizioni a valle influenzano l'intero sistema
- Variazioni di densità: Variazioni moderate e prevedibili
- Flessibilità del design: Sono possibili più soluzioni
Applicazioni del flusso subsonico:
- La maggior parte dei sistemi di distribuzione del gas industriali
- Sistemi HVAC e di ventilazione
- Sistemi pneumatici a bassa pressione
- Apparecchiature per il processo chimico
- Gestione dei gas delle centrali elettriche
Flusso sonico (flusso strozzato)
Il flusso sonico si verifica quando la velocità del gas è pari alla velocità locale del suono, creando condizioni di flusso critiche con caratteristiche uniche.
Proprietà del flusso sonoro:
- Numero di Mach: M = 1,0 esattamente
- Flusso di massa massimo: Non può essere superato
- Indipendenza dalla pressione: La pressione a valle non influisce sul flusso
- Rapporto di pressione critico: In genere circa 0,53 per l'aria
- Effetti della temperatura: Significativo calo di temperatura
Applicazioni del flusso sonico:
- Ugelli per turbine a gas
- Valvole di sicurezza
- Dispositivi di misura del flusso
- Ugelli di motori a razzo
- Regolatori di gas ad alta pressione
Regime di flusso supersonico
Il flusso supersonico si verifica quando la velocità del gas supera la velocità del suono, creando onde d'urto e fenomeni di flusso unici.
Caratteristiche del flusso supersonico:
- Numero di Mach: M > 1.0
- Onde d'urto: Cambiamenti improvvisi di pressione e temperatura
- Direzione del flusso: Le informazioni non possono viaggiare a monte
- Onde di espansione: Riduzioni di pressione uniformi
- Complessità del design: Richiede un'analisi specializzata
Tipi di onde d'urto:
| Tipo di shock | Caratteristiche | Applicazioni |
|---|---|---|
| Shock normale | Perpendicolare al flusso | Diffusori, ingressi |
| Shock obliquo | Angolato rispetto alla direzione del flusso | Velivolo supersonico |
| Ventola di espansione | Riduzione graduale della pressione | Design dell'ugello |
Flusso ipersonico
Il flusso ipersonico si verifica a numeri di Mach molto elevati (in genere M > 5), dove gli effetti aggiuntivi diventano importanti.
Effetti ipersonici:
- Effetti del gas reale: La legge dei gas ideali viene meno
- Reazioni chimiche: Dissociazione e ionizzazione
- Trasferimento di calore: Effetti di riscaldamento estremi
- Effetti viscosi: Interazioni dello strato limite
Come calcolare e ottimizzare il flusso di gas nelle applicazioni industriali?
I calcoli del flusso di gas richiedono metodi specializzati che tengano conto degli effetti della compressibilità, mentre l'ottimizzazione si concentra sulla minimizzazione del consumo energetico e sulla massimizzazione delle prestazioni del sistema.
I calcoli del flusso di gas utilizzano le equazioni di flusso comprimibili, le correlazioni dei fattori di attrito e le relazioni termodinamiche, mentre l'ottimizzazione prevede il dimensionamento delle tubazioni, la selezione del livello di pressione e la configurazione del sistema per ridurre al minimo i costi energetici.
Calcoli di base del flusso di gas
I calcoli del flusso di gas iniziano con le equazioni fondamentali modificate per gli effetti del flusso comprimibile e le proprietà reali del gas.
Calcolo della portata massica:
ṁ = ρAV = (p/RT)AV
Per il flusso strozzato attraverso un orifizio:
ṁ = CdA√(γρp)[2/(γ+1)]^((γ+1)/(2(γ-1))
Dove:
- Cd = Coefficiente di scarico
- A = Area dell'orifizio
- γ = Rapporto di calore specifico
- ρ = densità a monte
- p = pressione a monte
Calcoli delle perdite di carico
I calcoli delle perdite di carico per il flusso di gas devono tenere conto degli effetti di accelerazione dovuti all'espansione del gas, oltre che delle perdite per attrito.
Componenti della perdita di carico totale:
- Perdita di carico per attrito: A causa della sollecitazione di taglio della parete
- Accelerazione Perdita di carico: A causa dell'aumento della velocità
- Elevazione Perdita di carico: A causa degli effetti gravitazionali
- Perdita di carico del raccordo: A causa di disturbi del flusso
Formula della perdita di carico per attrito:
Δpf = f(L/D)(ρV²/2)
Perdita di carico in accelerazione:
Δpa = ρ₂V₂² - ρ₁V₁² (per le modifiche dell'area)
Analisi del flusso delle condutture
L'analisi delle condotte lunghe richiede calcoli iterativi a causa della variazione delle proprietà del gas lungo la lunghezza della condotta.
Fasi di calcolo della conduttura:
- Dividere il gasdotto: In segmenti con proprietà costanti
- Calcolo delle proprietà del segmento: Pressione, temperatura, densità
- Determinare il regime di flusso: Laminare o turbolento
- Calcolo della perdita di carico: Per ogni segmento
- Aggiornamento delle proprietà: Per il segmento successivo
- Iterare: Fino al raggiungimento della convergenza
Equazione semplificata del gasdotto:
p₁² - p₂² = (fLṁ²RT)/(A²Dρ₀)
Dove:
- p₁, p₂ = pressioni in ingresso e in uscita
- f = fattore di attrito medio
- L = Lunghezza della condotta
- ṁ = Portata massica
- R = Costante del gas
- T = Temperatura media
- A = Area del tubo
- D = Diametro del tubo
- ρ₀ = densità di riferimento
Strategie di ottimizzazione del sistema
L'ottimizzazione del sistema di flusso di gas bilancia i costi di capitale, i costi operativi e i requisiti di prestazione per ottenere un costo minimo del ciclo di vita.
Parametri di ottimizzazione:
| Parametro | Impatto sul sistema | Strategia di ottimizzazione |
|---|---|---|
| Diametro del tubo | Costo del capitale vs. perdita di pressione | Calcolo del diametro economico |
| Pressione di esercizio | Costo della compressione vs. costo del tubo | Ottimizzazione del livello di pressione |
| Stabilizzazione del compressore | Efficienza vs. complessità | Ottimizzazione del numero di fasi |
| Dimensioni dello scambiatore di calore | Recupero di calore vs. costo del capitale | Scambio di calore economico |
Dimensionamento economico dei tubi
Il dimensionamento economico delle tubazioni bilancia il costo del capitale della tubazione con i costi dell'energia di pompaggio per tutta la durata del sistema.
Formula del diametro economico:
D_economico = K(ṁ/ρ)^0,37
Dove K dipende da:
- Costo dell'energia
- Costo del tubo
- Durata del sistema
- Tasso di interesse
- Ore di funzionamento all'anno
Misura e controllo del flusso
La misura e il controllo accurati del flusso di gas richiedono la comprensione degli effetti del flusso comprimibile sui dispositivi di misura.
Considerazioni sulla misurazione del flusso:
- Piastre orifizio: Richiede correzioni di compressibilità
- Misuratori Venturi: Meno sensibile alla comprimibilità
- Misuratori a turbina: Influenzato dalle variazioni di densità del gas
- Misuratori a ultrasuoni: Richiede la compensazione della temperatura
- Misuratori Coriolis: Misura diretta della portata massica
Fluidodinamica computazionale (CFD)
I sistemi complessi di flusso di gas traggono vantaggio dall'analisi CFD per ottimizzare le prestazioni e prevedere il comportamento in varie condizioni operative.
Applicazioni della CFD:
- Geometrie complesse: Forme e accessori irregolari
- Trasferimento di calore: Analisi combinata di flusso e termica
- Analisi della miscelazione: Variazioni della composizione del gas
- Ottimizzazione: Studi sui parametri di progettazione
- Risoluzione dei problemi: Identificare i problemi di flusso
Di recente ho lavorato con un ingegnere petrolchimico canadese di nome David Wilson nell'Alberta, il cui impianto di trattamento del gas aveva problemi di efficienza. Utilizzando l'analisi CFD e i calcoli del flusso di gas, abbiamo identificato le zone di ricircolo che causavano uno spreco energetico di 20%. Dopo aver implementato le modifiche al progetto, il consumo energetico è diminuito di 18%, aumentando al contempo la capacità di lavorazione.
Conclusione
I principi del flusso dei gas regolano il comportamento dei fluidi comprimibili attraverso leggi di conservazione modificate per le variazioni di densità, richiedendo metodi di analisi specializzati che tengano conto delle interazioni pressione-temperatura-velocità e degli effetti di compressibilità fondamentalmente diversi dai sistemi di flusso dei liquidi.
Domande frequenti sui principi del flusso di gas
Qual è il principio fondamentale del flusso di gas?
Il flusso di gas funziona in base alla conservazione della massa, della quantità di moto e dell'energia, modificata per il comportamento dei fluidi comprimibili in cui la densità del gas varia con la pressione e la temperatura, creando interazioni velocità-pressione-temperatura.
In cosa si differenzia il flusso di gas da quello di liquidi?
Il flusso di gas comporta significative variazioni di densità, limitazioni di velocità sonica, accoppiamento temperatura-pressione e fenomeni di strozzamento del flusso che non si verificano nei sistemi a flusso liquido incomprimibile.
Che cos'è il flusso strozzato nei sistemi a gas?
Il flusso strozzato si verifica quando la velocità del gas raggiunge condizioni soniche (Mach = 1,0), limitando la portata massica massima indipendentemente dalla riduzione della pressione a valle, e si verifica comunemente negli ugelli e nelle valvole di controllo.
Come si calcola la portata del gas?
Il calcolo della portata di gas utilizza l'equazione ṁ = ρAV, dove la densità varia con la pressione e la temperatura secondo la legge dei gas ideali, richiedendo soluzioni iterative per sistemi complessi.
Quali fattori influenzano il comportamento del flusso di gas?
I fattori chiave includono le proprietà del gas (peso molecolare, rapporto di calore specifico), la geometria del sistema (diametro dei tubi, raccordi), le condizioni operative (pressione, temperatura) e gli effetti di trasferimento del calore.
Perché il numero di Mach è importante nel flusso dei gas?
Il numero di Mach (velocità/velocità sonica) determina le caratteristiche del regime di flusso: il flusso subsonico (M1) genera onde d'urto.
-
Spiega la differenza fondamentale tra il flusso comprimibile, in cui la densità del fluido cambia significativamente con la pressione, e il flusso incomprimibile, in cui la densità è assunta costante, una distinzione chiave tra la dinamica dei gas e dei liquidi. ↩
-
Fornisce una panoramica delle equazioni di Navier-Stokes, un insieme di equazioni differenziali parziali che costituiscono il fondamento della meccanica dei fluidi, descrivendo il moto di sostanze fluide viscose sulla base della conservazione della quantità di moto. ↩
-
Offre una definizione dettagliata del numero di Mach, una grandezza adimensionale della fluidodinamica che rappresenta il rapporto tra la velocità del flusso oltre un confine e la velocità locale del suono, utilizzata per classificare i regimi di flusso. ↩
-
Descrive il fenomeno del flusso strozzato, una condizione limite nel flusso comprimibile in cui la portata massica non aumenta con un'ulteriore diminuzione della pressione a valle, poiché la velocità nel punto più stretto ha raggiunto la velocità del suono. ↩
-
Spiega il numero di Reynolds, una grandezza adimensionale cruciale nella meccanica dei fluidi utilizzata per prevedere i modelli di flusso, aiutando a distinguere tra regimi di flusso laminare (liscio) e turbolento (caotico). ↩
English 
Deutsch 
Français 
Italiano 
Español 
Português 
Русский 
العربية 
日本語 
한국어 
Bahasa Indonesia 
Türkçe 
Nederlands 
Ελληνικά 
Български 
Čeština 
Dansk 
Eesti 
Suomi 
Magyar 
Lietuvių kalba 
Latviešu valoda 
Polski 
Română 
Svenska 
Slovenčina 
Slovenščina 
Norsk bokmål 
Українська