วิธีพิจารณาพลศาสตร์ของไหลในการออกแบบการหล่อลดข้อศอก

การหล่อลดข้อศอก , เป็นส่วนประกอบสําคัญในการเชื่อมต่อและเปลี่ยนทิศทางของของไหลในระบบท่อ, ส่งผลโดยตรงต่อประสิทธิภาพความปลอดภัยและต้นทุนการดําเนินงานของทั้งระบบ การออกแบบระดับมืออาชีพ โดยเฉพาะอย่างยิ่งในระดับพลศาสตร์ของไหล ถือเป็นพื้นฐานในการรับประกันประสิทธิภาพที่ยอดเยี่ยม นี่ไม่ใช่แค่การจับคู่ขนาดง่ายๆ เท่านั้น แต่ยังเป็นวิทยาศาสตร์เกี่ยวกับพฤติกรรมของของไหล การแปลงพลังงาน และการเพิ่มประสิทธิภาพโครงสร้างอีกด้วย

ลดการสูญเสียแรงดันและการกระจายพลังงานให้เหลือน้อยที่สุด
ในระบบส่งของเหลวใดๆ การใช้พลังงานอย่างมีประสิทธิผลถือเป็นสิ่งสําคัญ เป้าหมายการออกแบบประการหนึ่งของการหล่อลดข้อศอกคือการลดการสูญเสียแรงกดให้เหลือน้อยที่สุด การสูญเสียแรงดันส่วนใหญ่ประกอบด้วยสองส่วน: การสูญเสียตามช่วงและการสูญเสียเฉพาะที่ เนื่องจากเป็นส่วนประกอบต้านทานเฉพาะที่ การออกแบบตัวลดข้อศอกจึงต้องคํานึงถึงวิธีลดการสูญเสียพลังงานเมื่อของเหลวไหลผ่านเป็นพิเศษ
การเพิ่มประสิทธิภาพความโค้งของการออกแบบเป็นสิ่งสําคัญที่สุด เมื่อของไหลไหลในท่อโค้ง แรงเหวี่ยงเฉื่อยจะถูกสร้างขึ้น ส่งผลให้การกระจายความเร็วการไหลไม่สม่ําเสมอ รัศมีการโค้งงอที่เล็กเกินไปจะทําให้การกระแทกและการแยกของเหลวออกจากผนังท่อรุนแรงขึ้น ทําให้เกิดกระแสน้ําวน ซึ่งจะเป็นการเพิ่มการสูญเสียแรงดันอย่างมาก การออกแบบในอุดมคติควรมีรัศมีความโค้งที่กว้างและเรียบเพียงพอเพื่อให้ของไหลสามารถหมุนได้อย่างราบรื่นและหลีกเลี่ยงการเปลี่ยนแปลงทิศทางการไหลอย่างรุนแรง
การเปลี่ยนแปลงที่ราบรื่นเป็นอีกหลักการสําคัญ การออกแบบของท่อลดข้อศอกรวมสองฟังก์ชั่น: ดัดและเส้นผ่านศูนย์กลางตัวแปร ในระหว่างการเปลี่ยนจากเส้นผ่านศูนย์กลางใหญ่เป็นเส้นผ่านศูนย์กลางเล็ก จําเป็นต้องตรวจสอบให้แน่ใจว่าผนังด้านในเปลี่ยนได้อย่างราบรื่นเพื่อหลีกเลี่ยงหน้าตัดกะทันหัน หน้าตัดอย่างกะทันหันจะก่อตัวเป็นโซนนิ่งและกระแสน้ําวน ซึ่งไม่เพียงแต่เพิ่มการสูญเสียแรงดันในท้องถิ่นเท่านั้น แต่ยังอาจทําให้เกิดโพรงอากาศและเสียงรบกวนอีกด้วย ด้วยการใช้การออกแบบการหดตัวแบบเรียวหรือแบบก้าวหน้า จึงสามารถนําทางของไหลให้เร่งความเร็วได้อย่างราบรื่น ลดการสูญเสียพลังงานให้เหลือน้อยที่สุด

ระงับความปั่นป่วนและกระแสน้ําวน
ความปั่นป่วนเป็นสถานะที่ไม่เสถียรของของไหลที่ไหลด้วยความเร็วสูง ซึ่งเพิ่มความต้านทานแรงเสียดทานอย่างมาก และอาจทําให้เกิดการสั่นสะเทือนและเสียงรบกวน การออกแบบตัวลดข้อศอกควรระงับการเกิดความปั่นป่วนและกระแสน้ําวนได้อย่างมีประสิทธิภาพ
ในส่วนข้อศอก ความโค้งที่ไม่สมเหตุสมผลหรือผนังด้านในที่ไม่เรียบสามารถกระตุ้นให้เกิดการไหลทุติยภูมิและการไหลของการแยกได้ การไหลทุติยภูมิคือการไหลหมุนเวียนของของไหลในทิศทางการไหลหลักบนหน้าตัด ซึ่งจะกวนของไหลและเพิ่มการกระจายพลังงาน การไหลของการแยกหมายความว่าของเหลวไม่สามารถติดแน่นบนผนังท่อได้ ทําให้เกิดบริเวณกรดไหลย้อนเฉพาะที่ ด้วยการปรับรูปร่างของผนังด้านในของข้อศอกให้เหมาะสม เช่น การใช้หน้าตัดเป็นรูปวงรีหรือไม่ใช่วงกลม จึงสามารถควบคุมการกระจายความเร็วการไหลได้ในระดับหนึ่ง และความเข้มของการไหลทุติยภูมิสามารถลดลงได้
ในส่วนที่มีเส้นผ่านศูนย์กลางแปรผัน มุมกรวยที่เหมาะสมเป็นสิ่งสําคัญ มุมกรวยที่ใหญ่เกินไปจะทําให้เกิดการแยกตัวของเส้นไหลอย่างรุนแรงในส่วนการหดตัว ทําให้เกิดกระแสน้ําวนไหลย้อน กระแสน้ําวนไหลย้อนไม่เพียงแต่ใช้พลังงานเท่านั้น แต่ยังอาจก่อตัวเป็นโซนแรงดันต่ําเฉพาะที่บนผนังท่อ ทําให้เกิดโพรงอากาศ และทําให้เกิดการกัดเซาะและความเสียหายต่อวัสดุหล่อ ดังนั้น การออกแบบจะต้องพิจารณาประเภทของของไหล อัตราการไหล และความดันอย่างครอบคลุม และเลือกมุมกรวยที่เหมาะสมที่สุดเพื่อให้แน่ใจว่าของไหลเร่งความเร็วได้อย่างราบรื่น และป้องกันการแยกตัวของโฟลว์ไลน์

ป้องกันการเกิดโพรงอากาศและการกัดกร่อนของวัสดุ
การเกิดโพรงอากาศเป็นปัญหาร้ายแรงในพลศาสตร์ของไหล โดยเฉพาะอย่างยิ่งในพื้นที่ที่มีความเร็วการไหลสูงและแรงดันต่ําในท้องถิ่น เมื่อความดันของเหลวต่ํากว่าความดันไอน้ําอิ่มตัว ฟองไอน้ําจะก่อตัวขึ้น หลังจากที่ฟองอากาศเหล่านี้ไหลไปยังโซนแรงดันสูงด้วยของเหลวพวกเขาจะยุบตัวทันทีทําให้เกิดคลื่นกระแทกที่ทรงพลังทําให้เกิดการกัดเซาะทางกลกับผนังท่อ
ในการออกแบบการหล่อลดข้อศอก การหลีกเลี่ยงโซนแรงดันต่ําในท้องถิ่นเป็นกุญแจสําคัญในการป้องกันการเกิดโพรงอากาศ สิ่งนี้ต้องการให้นักออกแบบตรวจสอบให้แน่ใจว่าการกระจายแรงดันของนักวิ่งทั้งหมดมีเสถียรภาพ โดยเฉพาะอย่างยิ่งในส่วนการหดตัวและการบังคับเลี้ยวของการเร่งความเร็วของของไหล ด้วยการปรับรูปทรงของผนังด้านในให้เหมาะสม กําจัดพื้นที่ที่อาจทําให้ความเร็วการไหลเพิ่มขึ้นอย่างผิดปกติหรือเส้นการไหลที่ผิดปกติ จึงสามารถป้องกันการเกิดโพรงอากาศได้อย่างมีประสิทธิภาพ นอกจากนี้ การเลือกวัสดุหล่อที่มีความต้านทานการเกิดโพรงอากาศที่ดี เช่น เหล็กกล้าไร้สนิมบางชนิดหรือโลหะผสมโครเมียมสูงก็เป็นสิ่งสําคัญเช่นกัน

เพิ่มประสิทธิภาพการผสมและการแยกของเหลว
ในการใช้งานพิเศษบางอย่าง เช่น ระบบที่ต้องผสมของเหลวสองชนิดหรือแยกส่วนผสมของแข็ง-ของเหลว การออกแบบท่อลดข้อศอกต้องคํานึงถึงคุณลักษณะการผสมหรือการแยกของของเหลว
ตัวอย่างเช่น ในอุตสาหกรรมเคมี อาจใช้ตัวลดข้อศอกเพื่อนําทางของเหลวทั้งสองสําหรับการผสมครั้งแรก ในกรณีนี้ ผู้ออกแบบสามารถใช้การไหลทุติยภูมิเพื่อเพิ่มเอฟเฟกต์การผสมได้ ด้วยการแนะนําโครงสร้างนําการไหลเฉพาะที่ข้อศอกหรือการเปลี่ยนรูปร่างของผนังด้านใน ความปั่นป่วนของของไหลสามารถเพิ่มขึ้นได้ และสามารถส่งเสริมการสัมผัสที่เพียงพอระหว่างส่วนประกอบต่างๆ
ในเหมืองหรือระบบลําเลียงโคลน การสึกหรอของท่อลดข้อศอกเป็นปัญหาสําคัญ เมื่ออนุภาคของแข็งเคลื่อนที่ในของเหลว พวกมันจะถูกโยนไปที่ผนังด้านนอกเนื่องจากแรงเหวี่ยงเฉื่อย ทําให้เกิดการสึกหรอเฉพาะที่อย่างรุนแรง การออกแบบต้องได้รับการออกแบบให้มีรัศมีความโค้งขนาดใหญ่ที่ราบรื่น และความหนาของผนังผนังด้านนอกของผนังด้านนอก หรือใช้วัสดุที่ทนต่อการสึกหรอสูงเพื่อยืดอายุการใช้งานของส่วนประกอบ

พิจารณาการสั่นสะเทือนของของเหลวและเสียง
เมื่อของไหลไหลในช่องการไหลที่ไม่สม่ําเสมอ อาจเกิดการสั่นสะเทือนและเสียงรบกวนได้ สิ่งนี้ไม่เพียงส่งผลต่อความเสถียรของระบบเท่านั้น แต่ยังอาจทําให้เกิดความล้าของโครงสร้างอีกด้วย การออกแบบทางอุทกพลศาสตร์ของการหล่อลดข้อศอกต้องพิจารณาว่าการสั่นสะเทือนและเสียงรบกวนลดลงอย่างไร
พื้นผิวผนังด้านในเรียบเป็นวิธีที่มีประสิทธิภาพในการลดแรงเสียดทานของของไหลและเสียงกระแสวน หลังจากการหล่อการตัดเฉือนหรือขัดละเอียดสามารถปรับปรุงผิวผนังด้านในได้อย่างมาก นอกจากนี้ การเพิ่มประสิทธิภาพการออกแบบรันเนอร์เพื่อหลีกเลี่ยงการเปลี่ยนแปลงอย่างกะทันหันสามารถลดเสียงรบกวนจากการกระแทกและการแยกของเหลวได้ ด้วยเครื่องมือต่างๆ เช่น การวิเคราะห์ไฟไนต์เอลิเมนต์ ทําให้สามารถคาดการณ์การสั่นสะเทือนของโครงสร้างที่เกิดจากของไหลได้ในขั้นตอนการออกแบบ และสามารถปรับความแข็งแกร่งของโครงสร้างของการหล่อได้ตามนั้น หรือสามารถนําการออกแบบดูดซับการสั่นสะเทือนมาใช้ได้