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九州大学 工学府 機械系専攻 2014年8月実施 流体工学 問2

Author​

祭音Myyura (refined with GPT 6 Astra)

Description​

図に示すように,大気に開放された状態で水を貯めている十分大きな2つの水槽が水平な地面の上に置かれており,途中に2本の分岐管を含む内径 DD の細い水平な円管でつながれている。2本の分岐管の全長はともに 2L2L であり,分岐管の左側と右側にある直管の長さはともに LL である。管摩擦係数は流量によらず一定で,λ\lambda であるとする。下側の分岐管には長さの無視できる弁が付いているが,その全開時の損失係数は ζv\zeta_v である。左側の水槽の液面高さを H1H_1,右側の水槽の液面高さを H2 (H1>H2)H_2\ (H_1>H_2) として,以下の問いに答えよ。ただし,重力加速度の大きさは gg であり,管入口での損失,分岐ならびに合流に伴う損失,および曲がり部での損失は無視できるものとする。(50点)

(1) 弁が完全に閉まっている場合について,右側の水槽に流れ込む水の体積流量 QaQ_a を求めよ。

(2) 弁が全開の場合を考える。

  • (i) 上側の分岐管を流れる水の体積流量 QuQ_u と下側の分岐管を流れる水の体積流量 QdQ_d の比として,Qu/QdQ_u/Q_d を求めよ。
  • (ii) 右側の水槽に流れ込む水の体積流量 QbQ_b を求めよ。

原題の図:二水槽間の並列管路

题目描述​

如图所示,两个足够大的水槽放在水平地面上,均向大气开放并储有水,二者由内径为 DD 的细水平圆管连接,管路中间包含两条并联支管。两条支管的总长均为 2L2L,支管左、右两侧直管的长度均为 LL。管摩擦系数为常量 λ\lambda,与流量无关。下方支管安装一个长度可忽略的阀门,其全开时的损失系数为 ζv\zeta_v。左侧水槽液面高度为 H1H_1,右侧水槽液面高度为 H2H_2,且 H1>H2H_1>H_2。回答下列问题。重力加速度大小为 gg;管入口损失、分流和汇流损失以及弯管损失均可忽略。(50分)

(1) 阀门完全关闭时,求流入右侧水槽的水的体积流量 QaQ_a。

(2) 考虑阀门全开的情况。

  • (i) 上、下两条支管的水的体积流量分别为 Qu,QdQ_u,Q_d,求比值 Qu/QdQ_u/Q_d。
  • (ii) 求流入右侧水槽的水的体积流量 QbQ_b。

Kai​

管断面積を A=πD2/4A=\pi D^2/4、水位差を ΔH=H1−H2\Delta H=H_1-H_2、各分岐管の摩擦係数を b=2λL/Db=2\lambda L/D とおく。

(1)​

弁を閉じると、水は全長 4L4L の一本の経路を流れる。大水槽への出口損失を含めて

ΔH=(1+2b)(Qa/A)22g,Qa=A2gΔH1+4λL/D.\begin{gathered} \Delta H=(1+2b)\frac{(Q_a/A)^2}{2g},\\ \boxed{Q_a=A\sqrt{\frac{2g\Delta H}{1+4\lambda L/D}}}. \end{gathered}

(2)(i)​

分岐点から合流点までの水頭損失は両経路で等しいから

b(QuA)2=(b+ζv)(QdA)2.b\left(\frac{Q_u}{A}\right)^2=(b+\zeta_v)\left(\frac{Q_d}{A}\right)^2.

したがって

QuQd=r=1+ζvb.\boxed{\frac{Q_u}{Q_d}=r=\sqrt{1+\frac{\zeta_v}{b}}}.

(2)(ii)​

Qb=Qu+QdQ_b=Q_u+Q_d より、上側分岐管の流量は

Qu=r1+rQb=αQb,α=11+b/(b+ζv).\begin{gathered} Q_u=\frac{r}{1+r}Q_b=\alpha Q_b,\\ \alpha=\frac{1}{1+\sqrt{b/(b+\zeta_v)}}. \end{gathered}

共通管の摩擦損失と出口損失には QbQ_b、上側分岐管の摩擦損失には QuQ_u を用いる。

ΔH=(1+b)(Qb/A)22g+b(Qu/A)22g.\Delta H=(1+b)\frac{(Q_b/A)^2}{2g} +b\frac{(Q_u/A)^2}{2g}.

よって

Qb=A2gΔH1+b+bα2.\boxed{Q_b=A\sqrt{\frac{2g\Delta H}{1+b+b\alpha^2}}}.

ζv=0\zeta_v=0 では α=1/2\alpha=1/2、ζv→∞\zeta_v\to\infty では α→1\alpha\to1 となり、後者で (1) に一致する。