3.12.4 Возникновение ламинарного режима
В реальных гидросистемах, даже при ламинарном режиме течения жидкости в круглых трубах, на пути потока встречаются участки с другой геометрией. Это могут быть соединения труб, изгибы, гидроаппараты и т.п. На таких участках характер потока меняется, режим движения становится турбулентным.
Однако после прохождения такого участка при входе жидкости в прямую трубу при соответствующей скорости устанавливается параболическое распределение скоростей. Поток снова стремится к ламинарному режиму движения. Происходит это не моментально, а в течение некоторого времени на отрезке трубы определённой длины. Такой отрезок называют начальным участком ламинарного течения lнач.
Рисунок 3.14 – Возникновение ламинарного режима
Длину такого участка можно определить из формулы Шиллера
.
Отсюда, если в качестве Re взять критическое число Рейнольдса то получим, что максимально возможная длина такого участка равна
.
Потери энергии на этом участке будут несколько больше, чем в остальной части трубы. С учётом этого формула для расчёта потерь напора на трение hтр при ламинарном движении в круглых гладких трубах принимает вид
Для коротких труб такое уточнение потерь напора может иметь большое значение, для длинных величину 0,165 можно не учитывать.
3.13 Гидравлические сопротивления в потоках жидкости
3.13.1 Сопротивление потоку жидкости
Гидравлическая жидкость в гидросистемах технологического оборудования играет роль рабочего тела. Она обеспечивает перенос энергии от источника гидравлической энергии к потребителю (в большинстве случаев, к гидродвигателю). Для такого переноса используются напорные потоки. В подобных потоках жидкость со всех сторон ограничена твёрдыми стенками трубопроводов, каналов гидроаппаратов и полостей гидромашин.
Твёрдые стенки препятствуют свободному движению жидкости. Поэтому при относительном движении жидкости и твердых поверхностей неизбежно возникают (развиваются) гидравлические сопротивления. На преодоление возникающих сопротивлений затрачивается часть энергии потока. Эту потерянную энергию называют гидравлическими потерями удельной энергии или потерями напора. Гидравлические потери главным образом связаны с преодолением сил трения в потоке и о твёрдые стенки и зависят от ряда факторов, основными из которых являются:
геометрическая форма потока,
размеры потока,
шероховатость твёрдых стенок потока,
скорость течения жидкости,
режим движения жидкости (который связан со скоростью, но учитывает её не только количественно, но и качественно),
вязкость жидкости,
некоторые другие эксплуатационные свойства жидкости.
Рисунок 3.15 – Потери напора на трение по длине трубы
Но гидравлические потери практически не зависят от давления в жидкости. Величина гидравлических потерь оценивается энергией, потерянной каждой весовой единицей жидкости. Из уравнения Бернулли, составленного для двух сечений потока, обозначенных индексами 1 и 2 (рисунок 3.15) потери энергии потока жидкости Δh можно представить как
Если учесть, что труба в обоих сечениях 1 и 2 имеет одинаковые площади поперечных сечений, жидкость является несжимаемой и выполняется условие сплошности (неразрывности) потока, то, несмотря на гидравлические сопротивления и потери напора, кинетическая энергия в обоих сечениях будет одинаковой. Учтя это, а также то, что при больших давлениях в напорных потоках и небольшой (практически нулевой) разнице высот Z1 и Z2, потери удельной энергии можно представить в виде
.
Опыты показывают, что во многих (но не во всех) случаях потери энергии прямо пропорциональны квадрату скорости течения жидкости, поэтому в гидравлике принято выражать потерянную энергию в долях от кинетической энергии, отнесённой к единице веса жидкости
,
где
- коэффициент
сопротивления трубопровода.
Таким образом, коэффициент сопротивления можно определить как отношение потерянного напора к скоростному напору. Потери удельной энергии (напора), или гидравлические потери, зависят от формы, размеров русла, скорости течения и вязкости жидкости, а иногда и от абсолютного давления в ней. Вязкость жидкости, хотя и является первопричиной всех гидравлических потерь, но далеко не всегда оказывает существенное влияние на их величину.
Гидравлические потери в потоке жидкости разделяют на 2 вида:
потери по длине,
местные потери.