10.4. Местные потери напора

Трубопроводы обычно состоят из отрезков прямых труб, соединенных между собой различными фасонными (соединительными) частями: тройниками, угольниками, отводами. В трубопровод могут быть включены задвижки, вентили, расходомеры, клапаны различных систем, фильтры и т.д. Кроме того, трубопровод может состоять из труб различного диаметра. Для соединения таких труб применяются особые детали, так называемые переходы. Каждая из перечисленных деталей вызывает в потоке потери напора; такого типа потери называются местными. Потери на местные сопротивления в наружных сетях водопровода обычно не превышают 15%, во внутренних сетях – 30% от потерь по длине. Однако местные потери напора в некоторых видах инженерных сетей могут достигать значительной величины: так, например, в системах отопления зданий – до 40%, в воздуховодах вентиляционных систем – до 60-70% от потерь напора по длине.

Обычно в местных сопротивлениях существуют застойные (вихревые) зоны или области, в которых жидкость вращается; в них значительные градиенты скоростей приводят к увеличению (по сравнению с транзитными потоками) касательных напряжений и в конечном счете к увеличению сил трения.Постоянный обмен жидкостью меж- Рис. 10.2

ду застойными зонами и транзитными потоками приводит к тому, что частица, попавшая из потока в застойную зону, теряет значительную часть

механической энергии (она превращается за счет трения в тепло).

В большинстве случаев возможно предугадать расположение вихревых зон, так как в связи с изменением направления стенок изменится и направление потока, но при этом крайние струйки не изменят резко своей формы, а примут форму плавных кривых (рис. 10.2).

В конечном счете, механическая энергия всего потока в местном сопротивлении уменьшается, превращаясь в теплоту. Местные сопротивления можно условно разделить на 4 типа:

1. Изменение поперечного сечения потока (расширение или сужение).

2. Изменение направления потока (поворот).

3. Разделение или слияние потоков (тройники).

4. Комбинации названных случаев в разных устройствах.

Потери энергии (напора) в местных сопротивлениях определяются по формуле Вейсбаха

, (10.9)

где ζ – коэффициент местного сопротивления. В большинстве практически важных случаев коэффициент местного сопротивления ζ зависит только от конструкции местного сопротивления.

Задача 10.4. Во сколько раз возрастут потери при повороте трубы, еслирасход воды увеличить в 3 раза? Принять, что коэффициент местного сопротивления ζ – постоянная величина.

Решение. Потери согласно (10.9) пропорциональны квадрату скорости. Средняя скорость, как и расход, увеличивается в 3 раза, поэтому потери возрастут в 9 раз.

Потери напора при внезапном расширении трубы

Представим себе участок трубопровода (рис. 10.2), на котором диаметр трубы резко увеличивается. Пусть в трубе малого диаметра скорость равна V₁, а в трубе большого диаметра – V₂. в курсах гидравлики доказывается, что в этом случае, т.е. при внезапном расширении трубы, потери могут быть определены по формуле

h_вн.р. = .

В частном случае, когда скорость V₂ мала по сравнению со скоростью V₁ (например, при входе трубы в большой резервуар)

h_вн.р. = .