2.17.3 Экспериментальные исследования турбулентного режима движения

Ввиду сложности процессов, происходящих ах потоке при турбулентном режиме, изучение коэффициента главным образом осуществляется экспериментально.

Первые, наиболее полные и интересные по своей методике экспериментальные исследования на латунных трубах с искусственной шероховатостью были выполнены в 1933 г. И.И. Никурадзе.

Аналогичные по методике экспериментальные исследования выполнили в 1938 г. А.П. Зегжда в прямоугольных лотках, а в 1948 г. Г.А. Мурин – в стальных трубах с естественной шероховатостью.

В своих опытах Никурадзе исследовал напорное движение в цилиндрических трубах, имеющих равнозернистую равномерно распределенную шероховатость, которую он создавал путем наклеивания предварительно откалиброванных песчинок высотой _iна внутреннюю поверхность трубы.

Результаты исследований (рисунок 2.18) представлены на графике в виде семейства кривых, построенных в логарифмическом масштабе по точкам, соответствующим опытам с трубами, имеющими различную относительную шероховатость .

Рисунок 2.18

Первая область– область ламинарного режима движения приRe2320. Здесь все опытные точки независимо от шероховатости легли на одну прямую линиюI, уравнение которой.

Вторая область– расположена между вертикальными линиямиIIиIII, область неустойчивого режима, в которой возможен как ламинарный, так и турбулентный режимы (Reв пределах от 2300 до 4000). В этой области экспериментальные точки имели значительные «разброс».

Третья область – область гидравлически гладких поверхностей при турбулентном режиме. В этой области толщина ламинарной пленки превышает высоту выступов шероховатости, и турбулентное ядро не соприкасается с ними.

Опытные точки расположились на линии IV, уравнение которой. Эта эмпирическая формула была получена в 1913 г. Блазиусом.

Четвертая область – область турбулентного режима доквадратичного сопротивления (переходная от гидравлически гладких к гидравлически шероховатым поверхностям). Эта область лежит между линиямиIVи АВ, здесь.

Пятая область– область турбулентного режима квадратичного сопротивления гидравлически шероховатых поверхностей. В этой области, лежащей за линией АВ,.

Общую качественную характеристику зависимостей коэффициента , полученную для цилиндрических труб, можно распространить и на безнапорные потоки и другие формы поперечного сечения русла. После опытов Никурадзе отпала необходимость создавать расчетные зависимости для различных жидкостей, так как под жидкости учитываетсяRe.

При практическом пользовании графиком Никурадзе возникли трудности, вызванные тем, что в реальных руслах шероховатость поверхности существенно отличается от равнозернистой (разная форма и высота выступов, неодинаковая частота их размещения на поверхности русла и т.д.).

При этом практически определить шероховатость во многих случаях просто невозможно (например, шероховатость водопроводных труб). В связи с этим введено понятие эквивалентной шероховатости-_эк, под которой понимается такая высота выступов однородной шероховатости, при которой значение коэффициентабудет таким же, как и при естественной шероховатости.

Формулы для определения коэффициента для различных гидравлических состояний поверхности при турбулентном режиме приводятся в справочной литературе.

В таблице 2.1 даны некоторые из этих формул и условия их применения.

Таблица 2.1 – Формулы для определения коэффициента  и условия их применения

Режим движения	Re	Формулы для определения 	Примечание
1. Ламинарный	Re2320
2. Турбулентный а) поверхность гидравлически гладкая	Re2320 2320 Re	Формула Блазиуса Формула Г. Филоненко Формула П. Конакова	При Re10⁵ При любых числах Рейнольдса
б) переходная область	Re	Формула Кольбрука Формула А. Альштуля