Лабораторная работа № 5

Элементы экспериментальных установок. Колена и повороты

Вне зависимости от того, какова форма поперечного сечения канала, поворот потока может быть осуществлен либо под прямым углом, либо по криволинейному каналу, либо по каналу, контур которого состоит из отрезков прямой. На рисунке 5.1 показаны все три типа поворотных колен и обозначены внутренний r_i, наруж­ный r_a и средний r_ср радиусы кривизны.

Рисунок 5.1. Типы колен: а – криволинейное; б – прямоугольное; в – ломаное

Теоретически задача о турбулентном движении жидкости в ко­лене до настоящего времени не решена. Поэтому анализ явлений, происходящих на повороте, обычно производится на основе экспериментальных исследований.

Как известно, при движении жидкости по криволинейному каналу скорости частиц жидкости убывают с увеличением радиуса кривизны и, следовательно, давление у внутренней стенки меньше чем у внешней.

Отсюда ясно, что при входе в криволинейное колено у внутрен­ней стенки образуется конфузорный участок, а у внешней — диффузорный, в то время как при выходе из криволинейного колена в прямую трубу, наоборот, у внутренней стенки образуется диффузорный, а у внешней — конфузорный участки.

Из теории пограничного слоя известно, что в диффузорной области пограничный слой растет, очень интенсивно, он мало устой­чив и может легко оторваться от стенки. Это явление и наблю­дается в диффузорных областях криволинейного колена. Фото­графии потока в колене отчетливо показывают области местного отрыва у внешней и внутренней стенок. Схематически поток в колене показан на рисунке 5.2, из которого следует, что отрывы являются местными (рисунок 5.2, а). Так как на внешней стенке давление больше, чем на внутренней, то вдоль боковых стенок, на которых скорость равна нулю, будет происходить перетекание жидкости от внешней стенки (рисунок 5.2, б) к внутренней, за счет чего образуется парный вихрь.

Такое поперечное перетекание жидкости обычно называется вторичными токами. Вторичные токи можно без особого труда наблюдать и даже можно измерять составляющие скоростей, образующих парный вихрь. На рисунке 5.3 показано поле тангенциальных скоростей в выходном сечении колена, полученное проф. М. А. Дементьевым в лаборатории ЛПИ им. Калинина.

	Внешняя стенка Внутренняя стенка
Рисунок 5.2. Области отрыва и вторичные токи в криволинейном колене	Рисунок 5.3. Поле тангенциальных скоростей в выходном сечении колена

Таким образом, структура потока в криволинейном колене определяется увеличением давлений и уменьшением скоростей в направлении от внутренней к внешней стенке колена, наличием местного отрыва пограничного слоя и, наконец, образованием в колене парного вихря.

Указанные явления определяют природу потерь в колене и те качественные изменения однородности потока, которые происходят при наличии в трубопроводе колена.

Из приведенного анализа физической картины потока на повороте следует, что потери в колене складываются из потерь: на трение, на образование парных вихрей и потерь из-за наличия местных отрывов потока. Последние имеют наибольшую относительную величину, а потери на трение составляют наименьшую долю общих потерь. Отсюда следует, что для уменьшения потерь в колене, прежде всего, нужно устранять местные аэродинамические диффузоры, часто приводящие к местным отрывам потока. Затем следует, уменьшать интенсивность вторичных токов, образующих парные вихри, и только после этого добиваться снижения сил трения.

Этот анализ указывает пути для уменьшения потерь в коленах. Рассмотрим два способа уменьшения потерь, а именно: за счет увеличения относительного радиуса закругле­ния и с помощью установки в коленах направляющих лопаток. Первый способ весьма прост, но его осуществление при сколько-нибудь значительном эффекте неизбежно ведет к большому уве­личению радиуса закруглений, а следовательно, и общих габа­ритов колен. Последнее по конструктивным соображениям и по соображениям стоимости изготовления весьма нежелательно. Второй способ получил широкое при­менение в аэродинамических тру­бах и все больше внедряется при проектировании промышленных установок и машин.

Кроме того, потери зависят и от других геометрических харак­теристик колена: радиусов кри­визны внешней и внутренней сте­нок, формы поперечного сечения, соотношения площадей входного и выходного сечений и др. На рисунке 5.4 изображена эксперимен­тальная кривая зависимости коэф­фициента потерь от радиуса кри­визны , отнесенного к высоте канала .

Кривая 1 показывает измене­ние коэффициента потерь в за­висимости от величины относи­тельного внутреннего радиуса закругления нормального колена квадратного сечения при наличии выходного участка, равного десяти калибрам. Как и следовало ожидать, увеличение радиуса приводит к уменьшению потерь в нормальном колене. Причем нормальным коленом считают такое, у которого внутренняя и внешняя стенки очерчены ра­диусами, проведенными из общего центра.

Следует заметить, что очень сильно падает при изменении в пределах от 0 до 1, в то время как при изменении от 1 до 2 величина изменяется слабо, а при > 2 принимает постоян­ное значение. Отсюда можно сделать вывод, что увеличивать радиус кривизны нормальных колен имеет смысл только до опре­деленного значения.

Кривая 3 показывает зависимость ( ) при наличии прямого внутреннего угла и закругленной внешней стенки.

Кривая 2 дает при повороте на прямой угол внешней стенки и закруглении внутренней.

Из анализа кривых видно, что скругление внешней стенки менее эффективно, чем скругление внутренней. И, более того, увеличение радиуса кривизны внешней стенки (при ) вызывает даже некоторый рост коэффициента сопротивления.

Рисунок 5.4. Изменение коэффициента потерь в зависимости от радиусов кривизны внутренней и внешней стенок колена	Рисунок 5.5. Зависимость коэффициента потерь от при различных значениях

Результаты большого количества экспериментов показаны на рисунке 5.5, где для различных радиусов кривизны внешней стенки приведены кривые изменения величины , в зависимости от радиуса кривизны внутренней стенки . Анализ кривых приводит к выводу, что при постоянном существуют значения внутренних ра­диусов , при которых потери меньше, чем для нормального колена. Так как различие между сопротив­лением оптимального колена и нормального мало, в большинстве практических случаев можно рекомендовать нормальные колена.

Влияние формы поперечного сечения колена на сопротивление можно видеть на рисунке 5.6. На этом же рисунке даны для различных колен экспериментальные кривые изменения коэффициента потерь в зависимости от . Легко видеть, что колено круглого сечения 1 имеет наименьший коэффициент сопротивления.

Интересно отметить, что колено с квадратным поперечным се­чением и закругленной внутренней стенкой 2 имеет сопротивление меньше, чем соответствующее колено с обеими закругленными стенками 3. Сравнение кривых 2 и 4, 3 и 5 показывает, что сопротивление в коленах с отводящими трубами меньше, чем сопротив­ление в коленах без отводов.

Для труб прямоугольного сечения на сопротивление в колене значительное влияние оказывает ширина канала Н. На рисунке 5.7 изображены кривые изменения потерь в колене в зависимости от ширины трубы Н при различных значениях среднего радиуса закругления, отнесенного к высоте. Как легко видеть, с увеличением относительной ширины трубы коэффициент сопротивления падает.

Существенное увеличение потерь при уменьшении объяс­няется тем, что при повороте потока вокруг широкой стороны вторичные токи локализуются у боковых стенок колена и их роль в общих потерях мала. При повороте потока вокруг малой стороны вторичные токи занимают все поперечное сечение, и общие потери при этом сильно возрастают.

Влияние длины выходного участка трубы после поворота потока на коэффициент потерь можно видеть на рисунке 5.8. Нали­чие отводящей трубы значительно снижает потери.

При увеличении длины отводящей трубы коэффициент потерь быстро убывает и стремится к некоторой постоянной величине. Длина отводящей трубы, при которой становится постоянным, зависит от относительного радиуса закругления. Если для колена при = 0 длина этого участка составляет 10—12 калибров, то при = 0,5 она равна шести калибрам, при = 1 — двум калибрам.

Аналогичное влияние можно наблюдать и в поворотных коле­нах, поперечные сечения которых отличаются от квадрата. Для колена с круглым поперечным сечением это можно было видеть на рисунке 5.6.

Обратное влияние оказывает наличие трубопровода перед коленом. На рисунке 5.8 пунктиром нанесена кривая изменения коэффициента сопротивления колена в зависимости от дли­ны трубопровода, помещенного перед коленом. Как легко видеть, с увеличением длины растет и при некоторой длине, порядка 15 калибров, становится постоян­ным. Сопротивление колена растет до тех пор, пока длина трубопровода не достигает значения, равного длине начального участка.

Дальнейшее увеличение длины трубопровода не приводит к росту сопротивления, так как в поворотное колено входит поток с уже устано­вившимся турбулентным про­филем скоростей.

Уменьшение угла поворо­та потока ведет к уменьше­нию потерь. На рисунке 5.9 показаны экспериментальные кривые изменения потерь в зави­симости от угла поворота для трех поворотных колен. Для колена круглого сечения даны кривые изменения в зависимости от угла поворота при двух значениях отношения среднего радиуса поворота к диаметру трубы.

Рисунок 5.6. Изменение в зависимости от величины для круглых и квадратных колен	Рисунок 5.8. Влияние длины цилиндрического участка за и перед коленом на потери при различных радиусах поворота
	Рисунок 5.9. Влияние угла поворота потока на потери в различных коленах
Рисунок 5.7. Зависимость от при различных значениях для прямоугольного колена

Ввиду того что потери в колене определяются прежде всего наличием местных отрывов потока, а начало и длина области отрыва зависят от структуры пограничного слоя, то, следовательно, величина потерь в колене должна зависеть от значения числа Re.

На рисунке 5.10 показаны кривые изменения коэффициента по­терь в зависимости от числа Re для колена квадратного сечения с гладкими и шероховатыми стенками. Для практически гладких стенок при числе начинается силь­ное падение коэффициента потерь, которое продолжается до , после чего коэффициент потерь практически перестает зависеть от числа Re, т. е. наступает автомодельная область.

Рисунок 5.10. Влияние числа Re на потери в колене с гладкими и шероховатыми стенками:

- все стенки гладкие ( = 0,003 %);

- внутренняя стенка гладкая, остальные – шероховатые ( = 0,05 %);

- внутренняя стенка шероховатая ( = 0,05 %), остальные – гладкие;

- вся внутренняя стенка шероховатая ( = 0,25 %);

- все четыре стенки шероховатые ( = 0,05 %)

Шероховатость поверхности стенок колена оказывает суще­ственное влияние на потери. При этом определяющее влияние имеет шероховатость внутренней стенки колена. На рисунке 5.10 видно, что кривая (Re) для колена с гладкой внутренней стен­кой, и остальными тремя шероховатыми мало отличается от кри­вой для колена с гладкими стенками. В то же время кривая для колена с шероховатой внутренней стенкой близко расположена от кривой для колена со всеми шероховатыми стенками. Из этих же кривых видно, что при больших шероховатостях ( = 0,25%) явление кризиса потерь не наблюдается.

Явление кризиса потерь в колене связано с явлением отрыва пограничного слоя на внутренней стенке колена, а именно: до кризиса отрывается ламинарный пограничный слой, а после кри­зиса — турбулентный. Во втором случае отрыв наступает позже и сама область, отрыва меньше, чем в первом.

Как и во внешней задаче, можно искусственно ускорить на­ступление кризиса потерь. Так, если на внутренней стенке перед коленом установить проволочку или наклеить шероховатый элемент, то можно искусственно турбулизировать пограничный слой, и кризис сопротивления произойдет при меньших значениях чисел Re.

Приведенные данные относятся к коленам с короткими участ­ками трубы на выходе из колена. При наличии длинной трубы на выходе, в конце которой устанавливается одинаковое поле для всех режимов, различие в коэффициенте потерь для разных режи­мов становится меньше, т. е. коэффициент потерь слабо зависит от числа Re.

Влияние числа на входе на коэффициент потерь колен с различными радиусами закругления показано на рисунке 5.11. Здесь приведены результаты опытов с коленами прямоугольного поперечного сечения (16x16 мм) с различными отношениями величины внутреннего радиуса колена к высоте канала . Внеш­няя стенка описывалась дугой из того же центра, что и внутренняя, т. е. радиус внешней стенки всегда был больше внутреннего на 16 мм. Кривая 1 характеризует потери в колене, в котором внутренний угол прямой, а внешней стенкой являлась дуга с радиусом 16 мм, а кривая 2 относится к колену, у которого оба угла прямые.

Рисунок 5.11. Влияние числа на коэффициент потерь в колене

Из кривых видно, что при больших радиусах поворота влияние числа на коэффициент потерь малό. При малых радиусах поворота и в прямоугольных коленах влияние чисел на потери велико. Измерение давлений на стенки колена показало, что причиной сильного роста потерь при малых радиусах пово­рота является наличие на внутренней стенке местных сверхзвуко­вых областей.

Эти же кривые хорошо иллюстрируют влияние радиуса пово­рота на потери и при малых числах . При увеличении радиуса поворота до = 1 потери падают, а при дальнейшем увеличе­нии они вновь растут. Это еще раз указывает на то, что при больших радиусах поворота сильно увеличиваются потери на тре­ние, хотя местные потери и убывают.

Многочисленные опыты говорят о том, что соотношение площа­дей поперечных сечений перед и за коленом существенно влияет на его сопротивление. Фотографии спектров обтекания в сужа­ющихся и расширяющихся коленах показывают, что по сравнению с коленом постоянного сечения отрыв потока у внешней стенки в сужающемся колене меньше или вовсе отсутствует, а в расши­ряющемся колене он значительно больше. Естественно, что в су­жающихся коленах потери меньше, чем в коленах постоянного сечения, и что с увеличением расширения растут и потери.

Изменение потерь в зависимости от соотношения площадей за и перед коленом при повороте потока под прямым углом приведено в таблице 5.1.

Таблица 5.1