Гидравлические потери потока,

Шероховатости трубопроводов, потери напора на трение и местные сопротивления.

Понятие числа рейнольдса

Понятие о шероховатости

Измерения местных скоростей по поперечному сечению показывают, что при переходе к турбулентному режиму у стенок остается очень тонкий слой жидкости, который сохраняет свойства ламинарного режима движения. Его называют ламинарной пленкой. Толщина δ ламинарной пленки черезвычайно мала (сотые, тысячные доли мм.). С ростом числа Рейнольдса толщина ламинарной пленки уменьшается

Т рубопроводы всегда обладают некоторыми неровностями на внутренней поверхности и поэтому не являются абсолютно гладкими.

Для оценки величины неровностей стенок трубы (ка­нала) вводится понятие о шероховатости стенок (рис.2-10).

Рис.2-10. К понятию о шероховатости стенок трубы.

а - гидравлически гладкая стенка;

б - гидравлически шероховатая стенка.

Абсолютной шероховатостью стенок называют среднюю высоту выступов шероховатости k.

По соотношению величин толщины ламинарной пленки δ_пл и абсолютной шероховатости стенки k при трбулентном режиме движения различают:

а) гидравлически гладкие стенки, когда δ_пл>k, в этом случае выступы шероховатости скрыты в толще ламинарной пленки;

б) гидравлически шероховатые стенки, когда δ_пл<k, в этом случае выступы шероховатости не перекрываются толщиной ламинарной пленки, что вызывает дополнительные возмущения в потоке, влияющие на величину потери энергии при движении жидкости.

Заметим, что одна и та же труба в зависимости от величины числа Рейнольдса может работать как гидрав­лически гладкая (при малых числах Рейнольдса) и гид­равлически шероховатая (при больших числах Рейноль­дса).

Определение потерь напора

При движении жидкости в трубопроводе часть энергии потока (гидродинамического напора Н_гд) расходуется на определение гидравлических сопротивлений.

Они бывают двух видов:

1. Сопротивление по длине h_{ω дл}, пропорциональные длине потока;

2. местные сопрoтивления h_{ω м}, возникнове­ние которых связано с изменением направления или величины скорости в том или ином сечении потока.

К местным сопротивлениям относят внезапное расширение потока, внезапное сужение потока, вентиль, кран, диффузор и т. д.

Определение величины потерь энергии (напора) при движении жидкости является основной задачей гидродинамики.

Два режима движения жидкости. Число рейнольдса

В природе существуют два режима движения жидкости:

• ламинарный (слоистый)

• турбулентный (беспоря­дочный)

При ламинарном режиме частицы движутся в виде отдельных не перемешивающихся между co6oй.

При турбулентном – движение частиц беспорядочное, струйчатость потока нарушается, траектории частиц приобретают сложную форму, пересекаясь между собой. Эти предположения высказал Д.И. Менделеев.

А нглийский ученый О.Рейнольдс 1883 г. опытным путем подтвердил предположения Менделеева Д.И. и показал, что при известных условиях возможен переход от одного режима движения к другому и обратно.

Сосуд А наполняется жидкостью, которая может вытекать через трубку Б снабженную краном В для регулирования скорости истечения. В сосуде А уровень жидкости поддерживается постоянным. В трубку Б подается также окрашенная жидкость через трубку Г из маленького сосуда Д.

При постепенном открытии крана жидкость из сосуда А начинает вытекать; одновременно в поток подается тонкая струйка краски; если она не смешивается с движущейся в трубке Б жидкостью, то это будет означать, что режим движения жидкости ламинарный (рис.2-9,6).

Рис.2-9. К существованию двух режимов движения жидко­сти.

а — схема установки Рейнольдса; б — ламинарное движение; в — турбулентное движение.

Постепенно увеличивая открытие крана В и тем самым изменяя скорость течения жидкости в трубе Б, можно наблюдать, как струйка краски начнет колебаться, а затем разрывается и через некоторое время равномерно окрасит всю жидкость в трубке.

Это значит, что ламинарный режим движения перешел в турбулентный (рис.2-9, в).

Опытами установлено, что наличие того или иного режима движения жидкости определяется совместным влиянием четырех факторов:

1. динамической вязкостью жидкости - μ;

2. плотностью жидкости ρ;

3. средней скоростью потока v

4. характерным линейным размером сечения потока d (например, для трубы – ее диаметром).

Из этих величин можно составить одну безразмерную величину определяющую режим движения жидкости, которую назвали числом Рейнорльдса:

Точными измерениями в круглых, гладких трубах ус­тановлено, что при Re<2300 режим движения ламинарный, при Re>2300 – турбулентный.

Значение числа Рейнольдса равное 2300, называют критическим и обозначают Re_кр. Оно соответствует устойчивому переходу от турбулентного режима к ламинарному.

Скорость движения потока соответствующую критическому значению числа Рейнольдса Re_кр, называют критической скоростью v_кр.