Лабораторная работа № 4
Исследование гидравлических потерь в трубах и местных гидравлических сопротивлениях
1. ЦЕЛЬ И ЗАДАЧИ РАБОТЫ.
Целью работы является изучение гидравлических потерь потока реальной жидкости при ее движении в трубопроводах на прямых участках труб к. в местных гидравлических сопротивлениях. Задачи исследования – экспериментально определить коэффициент гидравлического трения прямого участка трубы при различных режимах течения жидкости и коэффициенты местных гидравлических сопротивлений для различных видов сопротивлений
2 ОСНОВНЫЕ ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ПОЛОЖЕНИЯ.
При гидравлических расчетах трубопроводов общие потери напора в нем определяются суммой двух составляющих:
he – потерь напора по длине трубопровода ;
∑ hm – потерь в местных сопротивлениях.
h = he + ∑hm (1)
Рассеивание энергии потока (частичное превращение гидравлической энергии в потоке в тепловую энергию)обусловлено вязкостным трением движущейся по трубопроводам жидкости, образованием вихрей, а также деформацией и ускорением потока в различных местных сопротивлениях; внезапное сужение и расширение трубопровода, краны, задвижки, клапаны, изгибы трубопроводов и их соединения, датчики измерительных приборов и т.п.
Для аналитического определения гидравлических потерь известны соответствующие формулы, в которые входят эмпирические коэффициенты, подлежащие экспериментальному определению или выбираемые из справочной литературы.
Для вычисления потерь напора на трение в прямом трубопроводе пользуются формулой Дарси-Вейсбаха
где:
λ – коэффициент
гидравлического трения; ℓ
- длина
трубопровода ; d
- внутренний
диаметр трубопровода ;
– средняя по
сечению скорость жидкости ; q
- ускорений
силы тяжести
Коэффициент λ зависит главным образом от числа Рейнольдса Rе, так как его величина характеризует режим течений жидкости. Для ламинарного и турбулентного режимов эта зависимость естественно различна.
При ламинарном течении жидкости (при Re < 2300) величина коэффициента гидравлического трения зависит только от числа Рейнольдса и для трубопроводов круглота сеченая определяется по следующим формулам:
λ = 64/ Re (3)
без учета теплообмена с окружающей средой через стенки трубопровода;
λ=75/ Re (4)
с учетом теплообмена, что имеет место в реальных металлических трубопроводах.
При турбулентном режиме течения жидкости коэффициент λ зависит не только от числа Рейнольдса, но и от шероховатости Δ внутренних стенок трубопровода.
Исследования показывают что при переходе к турбулентному режиму у стенок сохраняется тонкий слой жидкости, в котором частицы, подторможенное и направленные стенками, сохраняют в основном слоистый характер движения (так называемый ламинарный или вязкий подслой). Поэтому профиль осредненных скоростей имеет два значительно различающихся участка (рис, I, а). В турбулентном ядре благодаря интенсивному поперечному перемешиванию осредненные скорости отличается, незначительно и их распределение по основной части сечения оказывается более равномерным, чем при ламинарном режиме, В пределах вязкого подслоя происходит весьма резкое падение скорости до нулевого значения на стенке.
Толщина вязкого подслоя δ чрезвычайно мала (сотые и тысячные доли диаметра трубы) и уменьшается с увеличением числа Re .Между турбулентным ядром и вязким подслоем имеется тонкий переходный участок, в котором по мере приближения к подслою резко уменьшаются турбулентные пульсации и интенсивно уменьшается осредненные скорости. Так как характеристика потока изменяется по радиусу непрерывно, установить границы между этими участками можно только условно.
Переход потока в турбулентное состояние приводит к сильному возрастанию сопротивления, что связано с увеличением напряжений трения. В турбулентном ядре напряжения вязкостного трения τв играют незначительную роль и основная часть сопротивления создается так называемыми турбулентными касательными напряжениями τm из-за интенсивных поперечных перемещений частиц (рис. 1,а),
При турбулентном режиме течения жидкости различают три области сопротивления трубопроводов, характеризующиеся различным соотношением относительной шероховатости трубопровода и числа Рейнольдса Re ,
I. Область гидравлически гладких трубопроводов
В данном случае (рис. 1,6) толщина δ вязкого подслоя значительно больше максимальной высоты бугорков шероховатости (δ >> Δmаx ), что наблюдается при условий
Re<20 d/Δ (5)
В области гидравлически гладких труб коэффициент трения λ зависит только от числа Рейнольдса в диапазоне от Re = Re кр до Re = 10 достаточно хорошую сходимость с опытными данными дают вычисления λ по Формуле Блаузиуса:
6)
2. Переходная или доквадратичная область сопротивления в случае, когда существует условие
(7)
имеет место доквадратичная область сопротивления, в которой величина λ зависит не только от числа Рейнольдса, но и от относительной шероховатости трубопровода:
(8)
В этой области выступы внутренней поверхности трубы выступают из-под ламинарного слоя (рис. 1, в), способствуя отрыву вихрей, которые попадают на центральную часть потока и усиливают его турбулентность.
Рис. 1.
Турбулентное течение в круглой трубе
а - схема распределения осредненных скоростей и карательных напряжений в турбулентном потоке ;
б - течение у стеной в гидравлически гладких трубах;
в - течение у стенок в шероховатых трубах