Обыкновенные водяные ракеты из пластиковых бутылок

Gematogen> Интересует расчет
Надо справочник по гидравлике - рассчитать потери давления на пропихивание воды через трубку.
Что-нибудь такое надо читать: Идельчик И. Е. Справочник по гидравлическим сопротивлениям/ Под ред. М. О. Штейнберга. — 3-е изд., перераб. и доп.— М.: Машиностроение, 1992.
Vв - средняя скорость воды в трубе, Q - плотность воды.
[Потеря давления]= [коэффициент потерь] * [длина/диаметр] * [(Q*Vв**2)/2]
Коэффициент потерь - зависит от числа Рейнольдса, тут я пас.
А потом все как в твоей модели, только давление - "с учетом".

Ckona> [Потеря давления]= [коэффициент потерь] * [длина/диаметр] * [(Q*Vв**2)/2]

Да, все это так, но получается, что при изменении длины трубки линейно меняется давление и при определенной длине сравняется с приложенным. Вода не будет течь?

Gematogen> Вода не будет течь?

Коэффициент потерь зависит от скорости Vв. Кроме того, там на самом деле экспонента замешана.
Кстати, можно обойтись без справочника, измеряя высоту фонтана из шланга.
Но со справочником будет быстрее. Потери в трубах обсчитаны еще со времен Петра I.

Ckona> Коэффициент потерь зависит от скорости Vв. Кроме того, там на самом деле экспонента замешана.
Это понятно.
Я просто клоню к тому, что вычисление падения давления нам ничего не дает в практическом смысле.

Gematogen> вычисление падения давления нам ничего не дает в практическом смысле.

Почему ?
Вследствие падения давления вода из выходного сечения трубы вытекает с меньшей скоростью. Значит, мы теряем в УИ.

На данный момент мои скромные (и грубые!) эксперименты показали, что "труба" никак не влияет, если она есть сходящийся конус с пропорциями пожарного брандспойта (1:5).

Ckona> Коэффициент потерь зависит от скорости Vв. Кроме того, там на самом деле экспонента замешана.
Ckona> Кстати, можно обойтись без справочника, измеряя высоту фонтана из шланга.
Ckona> Но со справочником будет быстрее. Потери в трубах обсчитаны еще со времен Петра I.
Да нет там никакой экспоненты, ни у Блазиуса, ни у Конакова, ни у Альтшуля. У Никурадзе есть логарифм, да и то десятичный. Но для наших скоростей третья область турбулентного течения, которую он описывает, практически почти недоступна. Это уже для скорости истечения через ф20 свыше 75 м/с (Re>=1490000).
Для наших 7 атм и открытого горлышка Re=~650000 - вторая область турбулентного течения.

Вообще-то, в общепринятой формуле определения потерь, делить надо не на 2, а на 2g. Потери напора в [м]. И плотности там тоже нет.
У тебя же размерность потерь получается в [кг/м/c²]???
На самом деле формула гидравлических потерь выглядит так:
h = k*L/D*V²/2/g [м],
где k - безразмерный коэффициент гидравлического трения.
Формула, кстати, для горизонтальных труб полного сечения. Для вертикальных - ± высота столба жидкости в зависимости от расположения источника давления и ее плотности.

Гидравлические потери в трубопроводах начали достоверно обсчитывать только с конца 19-ого века.
Петр I не дожил до этого.
Можно, конечно, вспомнить Архимеда -гидростатика или Торричелли - истечение через боковую дырочку (1640 г.) , далее Бернулли - гидродинамика (1740 г), Эйлер - дифференциальные уравнения движения жидкости (1753 г.). Но и у них не было ни методик, ни формул по определению гидравлических потерь.
О. Рейнольдс (1842—1912), автор многочисленных пионерских работ по гидродинамике.
Все остальные упомянутые выше, чьими трудами мы пользуемся сейчас, - конец 19-ого - 20-й век.

Ckona> На данный момент мои скромные (и грубые!) эксперименты показали, что "труба" никак не влияет, если она есть сходящийся конус с пропорциями пожарного брандспойта (1:5).
Мне кажется, что форма пожарного брандспойта в первую очередь преследует цель создания максимально длинной нерасходящейся свободной струи.
Видно, что непосредственно перед срезом конусность становится более крутой. Интересно, на какой длине и какую конусность нужно иметь для минимального угла расхождения воды за соплом?

Gematogen> Мне кажется, что форма пожарного брандспойта в первую очередь преследует цель создания максимально длинной нерасходящейся свободной струи.
Первоочередная задача брандспойта - увеличение скорости истечения на срезе сопла.
Пожарная кишка может быть очень длинной. Поэтому, чтобы снизить гидравлические потери, ее делают "толстой". Дабы увеличить дальность струи, насадок сужают, увеличивая скорость истечения на срезе по сравнению со скоростью в кишке. Конусной брандспойт по сравнению с коноидальной формой сопла имеет гораздо меньший коэффициент расхода (у коноидального - 0,98, тороидальный - 0,95), но делать его проще и дешевле. Так что никаких особых секретов у брандспойта нет.
Конец насадка имеет цилиндрический участок формирующий струю.
Расходимость же струи, помимо этого, зависит и от скорости истечения (характера течения внутри насадка).

PopovIgor> У тебя же размерность потерь получается в [кг/м/c²]???
Проверка по размерности: [(кГ)/(м*c²)] = [{(H/(м/c²)}/(м*c²)] = [H/м²] , то есть [Паскаль], кто не знает - единица измерения давления, в том числе потерь давления при протекании через трубу.

PopovIgor> На самом деле формула гидравлических потерь выглядит так:
PopovIgor> h = k*L/D*V²/2/g [м],
в метрах меряют не давление, а расстояние.
Пусть это расстояние имеет отношение к водопроводному напору, но в контексте данного обсуждения речь идет не о водопроводе, а о потерях давления.

Па.
PopovIgor> Вообще-то, в общепринятой формуле определения потерь
PopovIgor> На самом деле формула гидравлических потерь выглядит так:
PopovIgor>> h = k*L/D*V²/2/g [м],
Ckona> в метрах меряют не давление, а расстояние.
У насоса, как источника давления, есть две основных характеристики: расход и напор, который измеряется в метрах.
В гидравлике, а речь идет о ней, и потери измеряются в метрах.
В контексте данного обсуждения речь идет о гидравлических потерях. Рассматривалась длинная центральная труба в схеме с верхним баком.
А вообще-то эту формулу Вейсбаха (1855 г) записывают и так и так.
Чаще в метрах. Введено даже специальное понятие - V²/2/g - скоростной (динамический) напор, измеряемый как раз в метрах.
В гидравлике потери напора - произведение скоростного напора на коэф. гидр. трения аналог в механике силе трения скольжения - произведение силы реакции опоры на коэф. тр.

Если в трубе течет жидкость с той же скоростью иной плотности, но с той же кинематической вязкостью, потери будут другими?

Ckona> в метрах меряют не давление, а расстояние.
А вообще-то потери можно измерить хоть в попугаях, суть не изменится .
Трубка ф8*500, как у Gematogen, от начальных 7 атм "съест" 4,7 атм.

Ckona>> На данный момент мои скромные (и грубые!) эксперименты показали, что "труба" никак не влияет, если она есть сходящийся конус с пропорциями пожарного брандспойта (1:5).
Gematogen> Мне кажется, что форма пожарного брандспойта в первую очередь преследует цель создания максимально длинной нерасходящейся свободной струи.
Gematogen> Видно, что непосредственно перед срезом конусность становится более крутой. Интересно, на какой длине и какую конусность нужно иметь для минимального угла расхождения воды за соплом?

Думаю не стоит заморачиваться с длинными конусами, тем более, что возникнут трудности с изготовлением.
Поток из верхнего бака надо донести до сопла через трубу с максимально возможным диаметром, например, по ф горлышка, с минимально возможными потерями.
Далее стандартное сопло или без оного.
Углы же расхождения струи Алексей обещал дать здесь.

PopovIgor> Углы же расхождения струи Алексей обещал дать здесь.
Алексей, а это действительно интересная тема.
Если есть хорошие фотки струи с данными о давлении и сопле, а также предметом задающим масштаб - было бы очень полезно на них взглянуть.

PopovIgor>> Углы же расхождения струи Алексей обещал дать здесь.
Gematogen> Алексей, а это действительно интересная тема.
Gematogen> Если есть хорошие фотки струи с данными о давлении и сопле, а также предметом задающим масштаб - было бы очень полезно на них взглянуть.
Посчитал ф20*500 от 7 атм. Потери составляют 204 442 Па.
Т.е. грубо 4 атм на 1 м длины.
Трубу надо укорачивать как можно сильнее, при этом минимально раздвигая твои нижние бустеры, имея ввиду угол расхождения струи.
Их воздуховоды никак не засунуть (все) через нижнее горло, как нарисовано. Оттуда еще и сопло должно выйти.
Хочешь-не хочешь, но их придется тащить вверх снаружи.
А так в принципе схема хороша, ничего не скажешь.
Хорошее наращивание объемов, изначально высокий ЦТ. Из минусов увеличенный Сх.
В принципе получается аналог первой ступени Алексея. Однако, у него воздушные баки сбоку, у тебя же прячутся снизу, но увеличивается общая длина воздуховодов, а значит и вес.

PopovIgor> Трубу надо укорачивать как можно сильнее, при этом минимально раздвигая твои нижние бустеры, имея ввиду угол расхождения струи.
Если три бустера соприкоснуть стенками, то между ними можно вписать окружность диаметра
d=2D*Sqr(3) - D.
Для диаметра 100мм d=15,5 мм.
А если соединить четыре, то
d=2D*Sqrt(2)-D
Т.е. d=41,4 мм.
Этого вполне может хватить на центральный захват сопла. И возможно можно будет обойтись и вовсе без трубы, если угол расхождения струи позволит.
При таком расположении и количестве бустеров, внешние воздуховоды пройдут по стенке центральной части практически вплотную без изгибов внизу.

PopovIgor> Посчитал ф20*500 от 7 атм. Потери составляют 204 442 Па.
Все не так просто - на самом деле на выходе трубы будет давление 526 579 Па и реальные потери составят 182 696 Па. Все-равно много.
PopovIgor> Трубу надо укорачивать как можно сильнее, при этом минимально раздвигая твои нижние бустеры, имея ввиду угол расхождения струи.
PopovIgor> Если три бустера соприкоснуть стенками...
Их не обязательно соприкасать стенками. Скорее всего основой будет некий цилиндрический предмет в который долно пройти пусковое устройство.
А лишний объем воздуха нам не нужен. Предел по воде - 1,9 литра.
PopovIgor> И возможно можно будет обойтись и вовсе без трубы, если угол расхождения струи позволит.
Я думаю, что позволит.
PopovIgor> Их воздуховоды никак не засунуть (все) через нижнее горло, как нарисовано. Оттуда еще и сопло должно выйти. Хочешь-не хочешь, но их придется тащить вверх снаружи.
Я не хотел бы переходить к такой схеме. Сейчас вижу два направления для проработки:
1 - минимизация длины трубы с проработкой несущей конструкции.
2 - максимизация диаметра трубы с уборкой внутрь воздушных трубок перед самым воздушным баком.
Алюминиевая труба с толщиной стенки 1 мм при диаметре 20 мм весит 161 г/м, при 7 атм потери высоты от потерь давления на трубе d20х500 с соплом 8 мм и перевеса составят 7,4 метра (с 77,8 до 70,4). Причем чисто от потерь давления высота упадет только на 0,5 м!
Вопрос - какое давление могут выдержать вот такие и такие трубы?

Gematogen> Если есть хорошие фотки
Фотки плохие. См. Star Wars, Episode 7, в разделе "Фото запусков".

Ckona> См. Star Wars, Episode 7, в разделе "Фото запусков".
Это уже переход к пневмофазе.
Нужно на чисто водяной тяге. Лучше всего - момент сразу после старта - два - три метра над землей.

Gematogen> на чисто водяной тяге
Столб воды...

Gematogen> на чисто водяной тяге
Или факел из пеногенератора...

Ckona> Столб воды...
Спасибо.
Похоже, на длине 0,5 м происходит удвоение диаметра струи.

Gematogen> ......
А что за цанговый пневмозажим? И еще одна идея. Может не надо всовывать внутрь пробки трубочки. Тыже будеш делать переходник с горлышка ПЭТ на трубу. Вот в этом переходнике закрепить трубочки для шлангов наружу.

bambr-pz> А что за цанговый пневмозажим?
Имелось в виду нечто вроде этого. С обратной стороны просто вставляется пластиковая трубка соответствующего диаметра. В быту проще всего их увидеть на фильтрах питьевой воды с обратным осмосом. При необходимости трубка легко вынимается. Очень удобная штука.
bambr-pz> И еще одна идея. Может не надо всовывать внутрь пробки трубочки. Тыже будеш делать переходник с горлышка ПЭТ на трубу.
Может быть я в корне неправ, но я стараюсь разрабатывать ракеты без заказных деталей.
Я не хочу морочиться с заказом метчика под РСО-28 как у тебя, или разделителя ступеней как у Игоря, или россыпи всяких железячек как у Ckona (правда он обладает станочком ).
Поэтому планировался не переходник, а упрочненная проволокой крышка с просунутыми в отверстия трубками залитая на 10 - 20 мм эпоксидкой.
Просто пока сама концепция - с изъяном. И я ищу оптимальный вариант решения.
bambr-pz> Вот в этом переходнике закрепить трубочки для шлангов наружу.
Трубки внутри обязательно должны доходить почти до верха.

Gematogen> Ракета с верхним баком. (чертеж)

Идея с верхним баком изначально проигрывает концепции с нижним стабилизатором.

Ради размещения вверху расходной массы, а внизу сжатого воздуха, появились трубы подачи сжатого воздуха вверх, а воды - вниз. Любые трубы - потери веса и давления.

Несколько трубок в горлышке бутылки также невыгодно, хотя бы вследствие неиспользуемого пространства между трубками.

Конструктивно гораздо выгоднее использовать длинную трубку на наземной пусковой установке, а стабилизатор выносить вниз.

Ckona> Идея с верхним баком изначально проигрывает концепции с нижним стабилизатором.
По некоторым параметрам.
Кстати, возможно стабилизаторы не понадобятся.
Ckona> Ради размещения вверху расходной массы, а внизу сжатого воздуха, появились трубы подачи сжатого воздуха вверх, а воды - вниз. Любые трубы - потери веса и давления.
Да, причем проблемы с весом обойти сложнее.
Но это все можно посчитать. Я в свою программу добавил расчет ракеты с трубкой перед соплом и диаметром сопла отличающимся от диаметра трубки. Это позволило критически отнестись к некоторым идеям.
Ckona> Несколько трубок в горлышке бутылки также невыгодно, хотя бы вследствие неиспользуемого пространства между трубками.
Да, сейчас концепция несколько иная. В горлышке - максимально толстая трубка, на ее конце - узкое сопло. Трубки подачи воздуха вводятся внутрь этой трубки в непосредственной близости от входа в гидробак. Это позволяет более эффективно использовать сечение и сократить узкую часть примерно до 50 мм.
Вопрос - в выборе материала трубки. Алюминиевая тяжелее пластиковой на 20 - 30 %. Она весит около 80 граммов на полметра и ее еще надо найти. Пластиковая - неизвестно как тонкостенные держат давление, а которые известно - слишком толстые.
Ckona> Конструктивно гораздо выгоднее использовать длинную трубку на наземной пусковой установке, а стабилизатор выносить вниз.
До сих пор я так и делал.
Пока все в совокупности недостатки приводят к потере около 10% высоты. Причем 90% потерь - за счет массы. И еще есть резервы по доработкам.
Если честно, то ради стабильного полета я готов пожертвовать 10% высотности.

Кстати, мне тоже кажется, что двухступенчатая ракета "изначально проигрывает концепции" ракеты с бустером.