Was ist Widerstandskraft - Widerstandsgleichung

Die Widerstandsgleichung ist eine Formel, mit der die Widerstandskraft berechnet wird, die ein Objekt aufgrund der Bewegung durch eine Flüssigkeit erfährt. Ziehkraft – Ziehgleichung

Ziehkraft – Ziehgleichung

Die Widerstandskraft F _D hängt unter anderem von der Dichte der Flüssigkeit, der Strömungsgeschwindigkeit und der Größe, Form und Ausrichtung des Körpers ab. Eine Möglichkeit, dies auszudrücken, ist die Widerstandsgleichung . Die Widerstandsgleichung ist eine Formel, mit der die Widerstandskraft berechnet wird, die ein Objekt aufgrund der Bewegung durch eine Flüssigkeit erfährt.

Der Referenzbereich A ist als der Bereich der orthografischen Projektion des Objekts in einer Ebene senkrecht zur Bewegungsrichtung definiert. Bei hohlen Objekten kann die Referenzfläche erheblich größer sein als die Querschnittsfläche, bei nicht hohlen Objekten entspricht sie genau einer Querschnittsfläche.

Was ist Drag in der Physik?

In der Fluiddynamik ist der Widerstand eine Kraft, die der Relativbewegung eines sich bewegenden Objekts entgegenwirkt. Die Kraft, die ein strömendes Fluid in Strömungsrichtung auf einen Körper ausübt. Im Gegensatz zu anderen Widerstandskräften wie Trockenreibung, die nahezu unabhängig von der Geschwindigkeit sind, hängen die Widerstandskräfte von der Geschwindigkeit ab. Die Widerstandskraft ist proportional zur Geschwindigkeit für eine laminare Strömung und zur Quadratgeschwindigkeit für eine turbulente Strömung. Der Luftwiderstand wird im Allgemeinen durch zwei Phänomene verursacht:

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Hautreibung . Im Allgemeinen, wenn ein Fluid strömt über eine stationäre Oberfläche , beispielsweise die flache Platte, das Bett eines Fluss, oder die Wand eines Rohrs,das Fluid die Oberfläche berührengebracht wird zur Ruhe durch die Scherbeanspruchung zu an der Wand. Der Bereich, in dem sich die Strömung von der Geschwindigkeit Null an der Wand bis zu einem Maximum im Hauptstrom der Strömung einstellt, wird als Grenzschicht bezeichnet . Daher übt ein sich bewegendes Fluid tangentiale Scherkräfte auf die Oberfläche aus, und zwar aufgrund desdurch viskose Effekte verursachten rutschfesten Zustands . Diese Art der Widerstandskraft hängt insbesondere von der Geometrie, der Rauheit der festen Oberfläche und der Art der Fluidströmung ab.
Formular ziehen . Der Formwiderstand , auch als Druckwiderstand bezeichnet, entsteht aufgrund der Form und Größe des Objekts. Diese Art der Widerstandskraft ist eine interessante Folge des Bernoulli-Effekts . Nach dem Bernoulli-Prinzip übt schneller bewegte Luft weniger Druck aus. Dies führt dazu, dass es zu einem Druckunterschied zwischen den Oberflächen des Objekts kommen kann. Die allgemeine Größe und Form des Körpers sind die wichtigsten Faktoren für den Formwiderstand . Im Allgemeinen haben Körper mit einem größeren geometrischen Querschnitt einen höheren Luftwiderstand als dünnere Körper.

Diese beiden Kräfte weisen im Allgemeinen Komponenten in Strömungsrichtung auf, und somit ist die resultierende Widerstandskraft auf die kombinierten Wirkungen von Druck- und Hautreibungskräften in Strömungsrichtung zurückzuführen.

Wenn die Reibungs- und Druckwiderstandskoeffizienten verfügbar sind, wird der Gesamtwiderstandskoeffizient durch einfaches Addieren bestimmt:

Bei niedrigen Reynolds-Zahlen ist der größte Widerstand auf den Reibungswiderstand zurückzuführen . Dies gilt insbesondere für stark stromlinienförmige Körper wie Tragflächen. Andererseits ist bei einer hohen Reynoldszahl der Druckabfall signifikant, was den Formwiderstand erhöht.

Die Komponenten der Druck- und Hautreibungskräfte in der normalen Fließrichtung neigen dazu, den Körper in diese Richtung zu bewegen, und ihre Summe wird als Auftrieb bezeichnet .

In der Luftfahrt ist der Auftrieb eine nach oben wirkende Kraft auf einen Flugzeugflügel oder ein Tragflächenprofil. Das Bernoulli-Prinzip erfordert, dass das Tragflächenprofil eine asymmetrische Form hat .

Drag Force in der Nukleartechnik

Die Analyse der hydraulischen Auftriebskraft ist eine der wichtigsten Analysen beim Entwurf einer Kraftstoffbaugruppe und bei der Analyse der hydraulischen Verträglichkeit gemischter Kerne. Die Vertikalkräfte werden durch eine Aufwärtsströmung mit hoher Geschwindigkeit durch den Reaktorkern induziert . Der Strömungsweg für das Reaktorkühlmittel durch den Reaktorbehälter wäre:

Beispiel für Durchflussraten in einem Reaktor. Es ist ein veranschaulichendes Beispiel, Daten repräsentieren kein Reaktordesign.

Das Kühlmittel tritt an der Einlassdüse in den Reaktorbehälter ein und trifft auf den Kernzylinder .
Der Kernzylinder zwingt das Wasser, in dem Raum zwischen der Reaktorbehälterwand und dem Kernzylinder nach unten zu fließen. Dieser Raum wird üblicherweise als Fallrohr bezeichnet .
Vom Boden des Druckbehälters wird die Strömung durch den Kern umgekehrt, um durch die Brennelemente zu gelangen , wo die Kühlmitteltemperatur steigt, wenn sie durch die Brennstäbe fließt.
Schließlich tritt das heißere Reaktorkühlmittel in den oberen Innenbereich ein, wo es aus der Auslassdüse in die heißen Schenkel des Primärkreislaufs geleitet und zu den Dampferzeugern weitergeleitet wird .

Brennelemente werden von der oberen Führungsstrukturbaugruppe gehalten , die die Oberseite des Kerns definiert. Diese Baugruppe besteht aus Edelstahl und hat viele Zwecke. Die obere Führungsstrukturanordnung übt eine Axialkraft auf die Kraftstoffanordnungen aus (durch Federn in der oberen Düse) und definiert somit die genaue Position der Kraftstoffanordnung im Kern. Der obere Flansch der Führungsstruktur wird an Ort und Stelle gehalten und durch den Flansch des RPV-Verschlusskopfs vorgespannt. Die obere Führungsstrukturbaugruppe führt und schützt auch Steuerstangenbaugruppen und In-Core-Instrumente.

Der erforderliche Abtrieb der oberen Führungsstrukturbaugruppe an Kraftstoffbaugruppen muss sehr sorgfältig berechnet werden. Unzureichender Abtrieb kann zum Anheben der Kraftstoffanordnung führen , andererseits kann ein übermäßiger Abtrieb zum Verbiegen der Kraftstoffanordnung führen , was ebenfalls nicht akzeptabel ist.

Beispiel: Widerstandskraft – Luftwiderstandsbeiwert – Kraftstoffbündel

Berechnen Sie den Reibungswiderstand eines einzelnen Brennstabs in einem Reaktorkern bei normalem Betrieb (Auslegungsdurchfluss). Angenommen, dieser Brennstab ist Teil eines Brennstoffbündels mit dem rechteckigen Brennstoffgitter und dieses Brennstoffbündel enthält keine Abstandsgitter. Seine Höhe beträgt h = 4 m und die Kernströmungsgeschwindigkeit ist konstant und gleich V _Kern = 5 m / s.

Annehmen, dass:

Der Außendurchmesser der Ummantelung beträgt: d = 2 xr _{Zr, 1} = 9,3 mm
Die Steigung der Kraftstoffstifte beträgt: p = 13 mm
die relative Rauheit beträgt & epsi ; / D = 5 · 10 & supmin; & ^sup4;
Die Flüssigkeitsdichte beträgt : ρ = 714 kg / m ³
Die Kernströmungsgeschwindigkeit ist konstant und gleich V _Kern = 5 m / s
Die durchschnittliche Temperatur des Reaktorkühlmittels beträgt: T _Masse = 296 ° C.

Berechnung der Reynoldszahl

Um die Reynolds-Zahl zu berechnen , müssen wir wissen:

Der Außendurchmesser der Ummantelung beträgt: d = 2 xr _{Zr, 1} = 9,3 mm (zur Berechnung des hydraulischen Durchmessers)
Die Steigung der Kraftstoffstifte beträgt: p = 13 mm (zur Berechnung des Hydraulikdurchmessers)
Die dynamische Viskosität von gesättigtem Wasser bei 300 ° C beträgt: μ = 0,0000859 Ns / m ²
Die Flüssigkeitsdichte beträgt: ρ = 714 kg / m ³

Der hydraulische Durchmesser D _h ist ein häufig verwendeter Begriff bei der Handhabung von Strömungen in nicht kreisförmigen Rohren und Kanälen . Der hydraulische Durchmesser des Brennstoffkanals , D _h , ist gleich 13,85 mm .

Siehe auch: Hydraulikdurchmesser

Die Reynolds-Zahl innerhalb des Kraftstoffkanals ist dann gleich:

Dies erfüllt die turbulenten Bedingungen vollständig .

Berechnung des Hautreibungskoeffizienten

Der Reibungsfaktor für turbulente Strömung hängt stark von der relativen Rauheit ab. Sie wird durch die Colebrook-Gleichung bestimmt oder kann unter Verwendung des Moody-Diagramms bestimmt werden . Das Moody-Diagramm für Re = 575 600 und ε / D = 5 x 10 ^-4 gibt folgende Werte zurück:

Der Darcy-Reibungsfaktor ist gleich f _D = 0,017
Der Fanning-Reibungsfaktor ist gleich f _F = f _D / 4 = 0,00425

Daher ist der Hautreibungskoeffizient gleich:

Berechnung der Widerstandskraft

Um die Widerstandskraft zu berechnen , müssen wir wissen:

der Hautreibungskoeffizient , der ist: C _{D, Reibung} = 0,00425
die Fläche der Stiftoberfläche , die ist: A = π.dh = 0,1169 m ²
die Flüssigkeitsdichte , das ist: ρ = 714 kg / m ³
die Kernströmungsgeschwindigkeit, die konstant ist und gleich V _Kern = 5 m / s ist

Aus dem Hautreibungskoeffizienten, der gleich dem Fanning-Reibungsfaktor ist , können wir die Reibungskomponente der Widerstandskraft berechnen . Die Widerstandskraft ist gegeben durch:

Unter der Annahme, dass eine Brennelementanordnung beispielsweise 289 Brennstoffstifte (17 × 17 Brennelementanordnung) aufweisen kann, liegt die Reibungskomponente der Widerstandskraft dann in der Größenordnung von Kilonewton . Darüber hinaus beruht diese Widerstandskraft ausschließlich auf der Hautreibung am Kraftstoffbündel. Die typische PWR-Kraftstoffbaugruppe enthält jedoch andere Komponenten, die die Hydraulik der Kraftstoffbaugruppe beeinflussen:

Brennstäbe . Brennstäbe enthalten den Brennstoff und brennbare Gifte.
Obere Düse . Bietet die mechanische Unterstützung für die Kraftstoffbaugruppenstruktur.
Bodendüse . Bietet die mechanische Unterstützung für die Kraftstoffbaugruppenstruktur.
Abstandsraster . Gewährleistet eine genaue Führung der Brennstäbe.
Fingerhutrohr führen . Freier Schlauch für Steuerstäbe oder In-Core-Instrumente.

Wie geschrieben wurde, ist die zweite Komponente der Widerstandskraft der Formwiderstand. Formwiderstand , auch Druckwiderstand genannt, entsteht aufgrund der Form und Größe des Objekts. Der Druckwiderstand ist proportional zur Differenz zwischen den Drücken, die auf die Vorder- und Rückseite des eingetauchten Körpers wirken, und dem Frontbereich.

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Dieser Artikel basiert auf der maschinellen Übersetzung des englischen Originalartikels. Weitere Informationen finden Sie im Artikel auf Englisch. Sie können uns helfen. Wenn Sie die Übersetzung korrigieren möchten, senden Sie diese bitte an: translations@nuclear-power.com oder füllen Sie das Online-Übersetzungsformular aus. Wir bedanken uns für Ihre Hilfe und werden die Übersetzung so schnell wie möglich aktualisieren. Danke.