Контрольные вопросы

1. Какое явление в потоке жидкости называется кавитацией?

2. Может ли возникнуть кавитация в потоке газа?

3. Какое явление называется облитерацией?

4. Как бороться с кавитацией?

5. Что необходимо сделать, если началась облитерация?

6. Какой размер должны иметь жиклеры системы питания двигателя внутреннего сгорания топливом?

7. Для чего служит расширительный бачок в системе охлаждения двигателя внутреннего сгорания?

8. Какая деталь двигателя внутреннего сгорания может подвергнуться кавитации?

Глава 10. Местные гидравлические сопротивления

Гидравлические потери при движении жидкостей и газов в трубопроводах делятся на потери на трение по длине трубопровода (см. параграф 4.6) и местные потери. Местные потери энергии вызываются местными гидравлическими сопротивлениями. Местные гидравлические сопротивления – это элементы трубопровода, в которых вследствие изменения формы и размеров течения происходит изменение скорости потока с образованием вихрей. Местные гидравлические потери вызываются расширением, сужением или поворотом потока. Коэффициенты потерь ζ при турбулентном течении определяются формой местных сопротивлений и не зависят от числа Рейнольдса Re.

10.1. Внезапное расширение потока

При внезапном расширении трубопровода (рис. 10.1) поток расширяется не внезапно, а постепенно с образованием вихрей между потоком и стенками трубы. Эти вихри и являются причиной потери энергии, так как на их образование тратится значительное количество энергии потока. Так как поток увеличивает свою площадь, его скорость с₁ уменьшается до значения с₂, а давление соответственно увеличивается. Если в потоке до и после внезапного расширения установить пьезометры, то они покажут высоту, соответствующую давлению в данном сечении потока. Так как с₂ < с₁, то пьезометр, установленный в более широком сечении трубопровода, покажет высоту на Δh большую, чем пьезометр, установленный в узком сечении. Однако если бы не было потерь, то он показал бы ещё большую высоту на величину Н. Величина Н является местной потерей на внезапное расширение

Потерю напора можно выразить также через коэффициент сопротивления ζ и отношение площадей потока до и после внезапного расширения:

Таким образом, для внезапного расширения коэффициент сопротивления ζ равен величине

Если площадь F₂ велика, то скорость с₂ = 0 и потеря на расширение составляет

т.е. теряется весь скоростной напор потока, и коэффициент сопротивления ζ = 1.

10.2. Другие виды местных сопротивлений

Постепенно расширяющаяся труба называется диффузором (рис. 10.2,а).

В диффузоре частицы жидкости текут из области низкого давления в область более высокого давления за счет своей кинетической энергии. Слои жидкости, непосредственно прилегающие к стенке, имеют небольшую скорость и небольшую кинетическую энергию, поэтому они не могут преодолеть повышение давления и останавливаются, вызывая отрыв пограничного слоя. Этот процесс ускоряется с увеличением угла раскрытия диффузора.

Обозначим

Тогда потери напора в диффузоре определяется по формуле

где к < 1– коэффициент смягчения удара, определяемый по формуле

где α – угол раскрытия диффузора; обычно α = 5…20°.

При внезапном сужении потока (рис. 10.2,б) потеря напора рассчитывается как

т.е. при выходе трубопровода из резервуара больших размеров (F₁ >> F₂) коэффициент сопротивления составит

Закруглением входной кромки трубопровода меньшего диаметра можно значительно уменьшить коэффициент сопротивления внезапного сужения. При одинаковых сечениях трубопроводов внезапное расширение вызывает большие потери энергии, чем внезапное сужение.

Постепенное сужение трубопровода (рис. 10.2,в) называется конфузором. Течение жидкости в конфузоре происходит с увеличением скорости и уменьшением давления, поэтому причин для образования вихрей при таком течении нет. В конфузоре имеются только потери на трение, поэтому сопротивление конфузора всегда меньше сопротивления диффузора с таким же соотношением геометрических размеров.

К местным сопротивлениям относится также поворот потока. Внезапный поворот потока без закругления трубопровода вызывает сильное вихреобразование и значительные потери энергии, при повороте потока на 90° коэффициент сопротивления ζ = 1, поэтому применение в гидросистемах машин и механизмов поворота потока без закругления нецелесообразно.

При ламинарном течении местные сопротивления невелики по сравнению с сопротивлением трения, поэтому выражение для определения коэффициента местного сопротивления имеет вид

где А и В – безразмерные константы, зависящие от вида местного сопротивления.