5.4 Визначення коефіцієнтів місцевих опорів у трубах

Мета роботи: Експериментальне визначення місцевих втрат напору, коефіцієнтів опору і зіставлення їх із втратами напору, вирахуваними по теоретичній залежності.

Загальні відомості

На ділянках трубопроводу, де маються повороти, місцеві розширення чи звуження, виникають місцеві втрати напору, обумовлені діючими в потоці внутрішніми силами тертя, що створюють опір руху часток рідини. В залежності від факторів, що викликають появу цих внутрішніх сил, розрізняють два види втрат: втрати тертя і вихрові втрати.

Втрата тертя викликаються гальмуванням потоку стінками, що приводить до нерівномірного розподілу швидкостей по перерізам потоку і до появи дотичних напружень тертя між зміщеними струменями рідини.

Вихрові втрати пов’язані з відривами потоку від стінок, що відбуваються звичайно при різких змінах конфігурацій каналів. З’являючись при цьому коловоротні зони викликають значне збільшення нерівномірності розподілу швидкостей і дотичних напружень (рис. 8.1).

На підтримку течії в коловоротних зонах витрачається напір (енергія). Між транзитним потоком і водоворотними зонами з’являються поверхні розділу (показані пунктирними лініями на рис.8.1), які відокремлюють між собою течію з різними швидкостями і являються одним із джерел місцевих опорів через інтенсивний обмін безладно рухаючись частин між транзитним струменем і коловоротною зоною. Захоплюючи частини вихрової зони, транзитний потік гальмується, поступово розширюючись, знову заповнює всі перерізи, підвищення тиску викликає зворотний рух часток коловоротної зони у стінок.

Втрата напору на місцевих опорах визначається по формулі Вейсбаха

(8.1)

де – коефіцієнт місцевого опору;

– середня швидкість потоку за опором.

Величина визначає сумарну втрату напору по довжині і місцеву. Але так як втрати по довжині на короткій ділянці місцевого опору малі їх не виділяють і відносять до місцевого.

Коефіцієнт опору залежить від виду місцевого опору і числа Рейнольдса. Однак вплив виявляється при малих значеннях, тобто при ламінарному режимі. Для турбулентного потоку коефіцієнт втрат практично залежить тільки від форми місцевого опору.

З огляду великої складності структури потоку в місцевих опорах значення , як правило, можуть бути визначені тільки дослідним шляхом.

Втрати напору на раптовому розширенні з достатньою точністю можуть бути визначені теоретичним шляхом по формулі

(8.2)

або

(8.3)

(8.4)

де

(8.5)

– площі великого і меншого поперечного перерізів.

При плавному оберті

(8.6)

значення для інших видів місцевих опорів приведені в табл.3.1 додаток 3.

Значення коефіцієнта залежить від режиму течії. У довідниках, як правило, приводяться значення для квадратичної області опору.

Перед виконанням лабораторної роботи студенти повинні пропрацювати по [2] с. 129...210, а по [3] с. 82...102.

Рис. 8.1. Схема руху рідини через місцеві опори :

1 – різкий кут на 90⁰; 2 – заслінка; 3 – несподіване розширення; 4 – несподіване звуження.

Рис. 8.2. Експериментальні трубопроводи:

а – для дослідження втрат напору по довжині;

б – для дослідження втрат напору на місцевих опорах.

Опис лабораторної установки

Дослідження проводяться на тій же установці, що і у лабораторній роботі № 7 по визначенню коефіцієнта опору тертя по довжині (рис.8.1). У цьому випадку замість трубопроводу 9 встановлюється ділянка труби з місцевими опорами (рис. 8.2 б). Після встановлення зазначеної ділянки труби з місцевими опорами на установці досліджуються слідуючи види місцевих опорів:

1 – коліно з різким поворотом на 90°;

2 – раптове розширення з 10 мм до 21мм;

3 – раптове звуження діафрагмою з 10мм до 5мм;

4 –раптове звуження з 21мм до 10мм.

Внутрішній діаметр

Порядок виконання роботи

Студенти знайомляться з установкою і замальовують її в журнал по лабораторним роботам.

Пускають насос і наповняють напірний бак. При закритому крані 11, перевіряють роботу п’єзометрів. Якщо рівні у всіх п’єзометрах розташовуються на одній відмітці, то це вказує на відсутність у них повітря. Потім відкривають поступово кран 11 і після встановлення режиму записують показання п’єзометрів і визначають витрату, що проходить по трубопроводу об'ємним методом. Потім збільшують витрати і проводять усі перераховані вище виміри. До повного відкриття заслінки варто зняти покази для 6-8 режимів.

Після завершення досліджень виключити насос. Усі експериментальні данні записуються в табл. 8.1.

Обробка дослідних даних

За допомогою мірного бачка і секундоміра визначають витрати води, по трубопроводу.

Обчислюють середні швидкості течії в мірних перерізах

де і – середні швидкості в мірних перерізах до і після місцевого опору;

і – площі поперечного переріза до і після місцевого опору. Визначають втрати напору на місцевому опорі по формулі

Визначати коефіцієнт опорів по формулі

Визначити по теоретичних залежностях, а також прийняти по таблицях додатка 3коефіцієнти опорів і зрівняти їх з дослідними коефіцієнтами опору.

Визначити відсоток, розходження

Побудувати графіки ; .

Усі дані обробки заносяться в табл. 8.1.

КОНТРОЛЬНІ ЗАПИТАННЯ

1. Чим обумовлені втрати в місцевих опорах?

2. Наведіть приклади місцевих опорів?

3. напишіть формулу для визначення втрат місцевих опорів.

4. Від яких факторів залежить коефіцієнт опору ?

8.1. Експериментальні і обчислені значення

Найменування величин	Позначення	Одиниці виміру	Різкий поворот	Раптове розширення	Раптове звуження	Діафрагма
1	2	3	4	5	6	7
Витрата	Q	м3/с
Діаметр труби до опору		мм
Діаметр труби після опору		мм
Площа перерізу до опору	S1	см2
Площа перерізу після опору	S1	см2
Середня швидкість до опору	v1	см/с
Середня швидкість після опору	v2	см/с
Відлік по п’єзометрам до і після опору	,	см
Значення		см
Значення		см
Втрати напору	hm	см
Коефіцієнт опору		–
Коефіцієнт опору розрахунковий		–
Відхилення		%