Бесплатные калькуляторы

Примеры запросов: процентыипотекаплощадь✓ 1 414 работающих калькуляторов

МЕХАНИКА ЖИДКОСТЕЙ · ОНЛАЙН

Уровень жидкости в баке с притоком и ламинарным вытеканием

Если жидкость вытекает из бака через узкую трубку или капилляр, расход пропорционален уровню, и уровень меняется по экспоненте. При постоянном притоке он стремится к равновесному значению h∞ = b/k. Калькулятор решает уравнение h′ = b − k·h и показывает уровень через заданное время для любого начального уровня, в том числе при пустом баке и без притока.

✓ Бесплатно⌁ С пояснением✦ Без регистрации
▦
КАЛЬКУЛЯТОР

Введите данные

Уровень жидкости над выходом в начальный момент, метры.
Отрицательное число: k — постоянная стока, с⁻¹. Для замера «без притока» k = ln(h₁/h₂)/Δt. Значение a = 0 означает отсутствие стока.
b = Q_вх / S: объёмный приток в м³/с, делённый на площадь сечения бака в м². Без притока введите 0.
Время от начального момента в секундах; произведение k·t не должно превышать 50.
✓ Исходные значения передаются серверу только для выполнения расчёта. Регистрация не нужна.
ВАШ РЕЗУЛЬТАТ✓ Вычислено

Линейное ОДУ с постоянными коэффициентами

y(t)0,290358

«Копировать картинку» помещает изображение результата в буфер обмена без сохранения файла — его можно сразу вставить в мессенджер или документ. Картинка и PDF содержат ссылку на calc-calc.ru.

Аналитическое решение y′=a·y+b для постоянных a и b; не решает произвольные дифференциальные уравнения.

Был ли калькулятор полезен?Одно касание — и мы поймём, какие инструменты улучшать.
ПОДРОБНЫЙ РАЗБОР · ФОРМУЛЫ И ПРИМЕРЫ

Уровень жидкости в баке с притоком и ламинарным вытеканием: экспоненциальная модель

Налейте воду в бак с узкой сливной трубкой, и уровень начнёт падать не равномерно, а всё медленнее: чем ниже уровень, тем меньше давление и тем слабее поток. Калькулятор уровня жидкости в баке с притоком и ламинарным вытеканием описывает такой процесс простым уравнением и даёт уровень через любое заданное время.

Здесь разобраны допущения модели, способ найти постоянную стока из опыта и по размерам трубки, равновесный уровень при притоке, числовые примеры и границы применимости. Числа в примерах совпадают с результатом калькулятора.

Откуда берётся экспонента

При ламинарном течении по тонкой трубке расход пропорционален перепаду давления, а перепад создаётся столбом жидкости: Q_исх = k·S·h. Изменение уровня определяется разностью притока и стока: S·h′ = Q_вх − k·S·h, или h′ = b − k·h, где b = Q_вх/S — скорость подъёма уровня от притока.

Решение этого уравнения — h(t) = h∞ + (h₀ − h∞)·e^(−kt) при h∞ = b/k. Уровень приближается к равновесному значению экспоненциально, с характерным временем 1/k. В калькуляторе используется та же форма уравнения h′ = a·h + b, где a = −k.

Как определить постоянную стока k

Проще всего измерить её в опыте без притока: уровень падает от h₁ до h₂ за время Δt, тогда k = ln(h₁/h₂)/Δt. У ламинарного стока значение k одинаково и в начале, и в конце опыта.

Если течение идёт по круглой трубке радиуса r и длины L, то по закону Хагена — Пуазёйля k = π·ρ·g·r⁴/(8·μ·L·S), где μ — динамическая вязкость жидкости, а S — площадь сечения бака. Видно, что радиус входит в четвёртой степени: уменьшение радиуса трубки вдвое замедляет опорожнение в 16 раз.

Пример без притока

Бак заполнен до 2 м, постоянная стока k = 0,01 1/с, притока нет. Через 100 с уровень h = 2·e^(−1) ≈ 0,7358 м, то есть 36,8 % от начального. Вдвое уровень падает за ln 2 / k ≈ 69,3 с, и это время не зависит от того, с какого уровня начинать.

Полностью бак при такой модели не опорожняется: уровень лишь стремится к нулю. На практике процесс заканчивается раньше, когда уровень приближается к высоте сливного патрубка.

Пример с притоком

Пусть в бак площадью 0,5 м² поступает 2 л/с, то есть 0,002 м³/с, значит b = 0,004 м/с. При k = 0,02 1/с равновесный уровень h∞ = 0,004/0,02 = 0,2 м. Если в начале уровень 0,5 м, то через 60 с h = 0,2 + 0,3·e^(−1,2) ≈ 0,2904 м: он быстро падает к равновесию.

Если стартовать с пустого бака, то при b = 0,01 м/с и k = 0,05 1/с равновесие 0,2 м, а через 20 с уровень равен 0,2·(1 − e^(−1)) ≈ 0,1264 м. За время 1/k уровень проходит около 63 % пути к равновесию.

Равновесие и время установления

Равновесный уровень зависит только от отношения b/k: удвоение притока удваивает уровень, а увеличение сопротивления слива уменьшает k и тоже поднимает уровень. Если h₀ = h∞, уровень не меняется.

За время 4/k отклонение от равновесия уменьшается до 1,8 % от начального, то есть практически выйти на равновесие система успевает за 4–5 характерных времён. Калькулятор принимает произведение k·t до 50, чего хватает для любых практических задач.

Границы применимости

Ламинарный режим в трубке сохраняется при небольших числах Рейнольдса, примерно до двух тысяч. Через короткое широкое отверстие жидкость вытекает со скоростью около √(2gh), расход растёт как корень из уровня, и экспонента не годится. Вязкость сильно зависит от температуры, поэтому k меняется при нагреве.

Модель не учитывает входные потери и переменное сечение бака. Расчёт учебный и не заменяет проектирования ёмкостей, систем перелива и аварийной защиты.

Формула расчёта

ОСНОВНАЯ ФОРМУЛА

h(t) = h∞ + (h₀ − h∞)·e^(−k·t), h∞ = b/k, a = −k

Проверенные примеры

Опорожнение без притока

Начальный уровень 2 м, k = 0,01 1/с, притока нет. Какой уровень через 100 с?

h = 2 · e^(−1) ≈ 0,7358 м, то есть 36,8 % от начального; вдвое уровень падает за ln 2 / 0,01 ≈ 69,3 с.

Приток и сток одновременно

Бак 0,5 м² с притоком 2 л/с (b = 0,004 м/с), k = 0,02 1/с, начальный уровень 0,5 м, время 60 с.

Равновесный уровень 0,004/0,02 = 0,2 м; h = 0,2 + 0,3 · e^(−1,2) ≈ 0,2904 м.

Как пользоваться онлайн-калькулятором

  1. Определите постоянную стока k: по опыту без притока k = ln(h₁/h₂)/Δt либо по формуле для трубки.
  2. Введите начальный уровень h₀ в метрах и показатель a = −k со знаком минус в 1/с.
  3. Рассчитайте b как приток в м³/с, делённый на площадь бака в м², и введите; без притока впишите 0.
  4. Введите время t в секундах и нажмите «Вычислить»: результат — уровень в метрах.
ВОПРОСЫ И ОТВЕТЫ

Частые вопросы

Чем ламинарный сток отличается от истечения через отверстие?

При ламинарном течении в тонкой трубке расход пропорционален перепаду давления, то есть уровню, и получается экспонента. Через широкое отверстие скорость растёт как корень из уровня, и закон другой.

Как найти k из опыта?

Дайте баку опорожняться без притока и измерьте уровни h₁ и h₂ с интервалом Δt: k = ln(h₁/h₂)/Δt. Для проверки повторите на другом участке: для ламинарного стока k остаётся постоянной.

Что такое равновесный уровень?

Это уровень, при котором приток равен стоку: h∞ = b/k. Если начальный уровень равен ему, уровень не меняется; при другом начальном значении он приближается к h∞ снизу или сверху.

Почему поле a вводится отрицательным?

Калькулятор решает уравнение h′ = a·h + b, и для стока a = −k < 0. При a = 0 стока нет, и уровень растёт линейно: h = h₀ + b·t.

Похожие калькуляторы

▦МЕХАНИКА ЖИДКОСТЕЙ

Выталкивающая сила воздуха для аэростата

Требуется определить архимедову силу, действующую на объём вытесненного воздуха аэростатом или шаром. Используется как первый шаг для оценки воздушного шара перед вычитанием веса газа и оболочки.

▦МЕХАНИКА ЖИДКОСТЕЙ

Выталкивающая сила на подводный измерительный корпус

Известен объём погружённой части герметичного прибора и плотность окружающей морской воды. Расчёт подъёмного действия воды для корпуса подводного датчика. При полном погружении увеличение вытесненного объёма усиливает подъёмную силу.

ПОДЕЛИТЬСЯ ИНСТРУМЕНТОМ

Встроить на свой сайт

Вставьте этот код в HTML-блок на своём сайте. Посетители смогут пользоваться калькулятором без перехода.

Прямая ссылка: https://calc-calc.ru/embed/calc_030239/

Предварительный просмотр