Область гидравлически гладких труб

В этой области толщина ламинарной плёнки значительно больше абсолютной шероховатости. Выступы шероховатости полностью затоплены в ламинарном слое, плавно обтекаются с очень малыми скоростями и не оказывают сопротивления потоку жидкости (рис. 1). При этом коэффициент Дарси зависит только от числа Рейнольдса, т.е. .

Рис. 1. Структура потока в области гидравлически гладких труб

Величину коэффициента сопротивления трения можно определить по формуле Блазиуса

К указанной области сопротивления относятся технически гладкие трубы (цельнотянутые из цветных металлов – медные, латунные, свинцовые, стеклянные трубы и др.) во всём диапазоне их практического использования по числам Рейнольдса , а также стальные трубы до значений при числах Рейнольдса, ориентировочно равных

Переходная область

По мере возрастания числа Рейнольдса толщина ламинарной плёнки уменьшается и, когда она становится соизмерима с высотой выступов шероховатости, наступает переходная область сопротивления. Отдельные выступы шероховатости попадают в турбулентное ядро, вызывая дополнительные вихреобразования в потоке, увеличивая сопротивление потоку жидкости (рис. 2).

Коэффициент Дарси здесь зависит уже не только от числа Рейнольдса, но и от относительной шероховатости . Влияние шероховатости зависит не только от средней высоты выступов шероховатости, но и от их формы и густоты расположения, которые определяются материалом трубы и технологией изготовления. Близкие к опытным значениям результаты даёт универсальная формула Альтшуля (применимая во всех областях турбулентного режима):

.

Рис. 2. Структура потока в переходной области

Средние значения эквивалентной шероховатости для новых стальных цельнотянутых труб и бывших в употреблении (незначительно корродированных). Границы существования переходной области ориентировочно определяется выражением

Область шероховатых труб (квадратичная область сопротивления)

При развитом турбулентном течении жидкости ламинарная плёнка практически исчезает, выступы шероховатости целиком находятся в турбулентном ядре потока. Обтекание выступов происходит с интенсивными отрывами вихрей, которые попадают в центральный поток жидкости и усиливают его турбулентность (рис. 3). Влияние сил вязкости очень мало, коэффициент сопротивления трения зависит только от относительной шероховатости , а потери напора в этой зоне точно пропорциональны квадрату скорости.

Рис. 3. Структура потока в квадратичной области

Значения коэффициента Дарси в квадратичной области определяются формулой Шифринсона

.

Нижняя граница переходной области ориентировочно определяется выражением

Для стальных труб значения во всех областях гидравлического сопротивления по данным Мурина (Всесоюзный теплотехнический институт им. Ф.Э. Дзержинского) приведены на рис. 4.

Рис. 4. Зависимость для стальных труб

3. Устройство и принцип действия учебной установки

1. Устройство установки.

Учебная установка предназначена для экспериментального определения коэффициентов сопротивления трения труб различного диаметра и исследования нормальной диафрагмы.

Установка состоит из 3-х труб 1, 2 и 3 (рис. 3) разного диаметра, к которым присоединены пьезометры П1н, П2н, П3н в начале труб и пьезометры П1к, П2к, П3к в конце труб, и приемного бачка Б1 с мерным отсеком. В трубе 1 установлена нормальная диафрагма ДФ1, к входу и выходу которой присоединены пьезометры П4 и П5.

Верхние концы пьезометров П1н, П1к, П2н, П2к, П3н, П3к присоединены к воздушному коллектору 8, который через вентиль ВН6 может соединяться с атмосферой, а верхние концы пьезометров П4 и П5 присоединены к воздушному коллектору 9, который с атмосферой может соединяться через вентиль ВН7.

Рис. 5. Принципиальная гидравлическая схема учебной установки

«Гидродинамика ГД – 04М»

Трубы одним концом присоединены через коллектор и вентили ВН4 и ВН9 к напорному баку Б2 системы оборотного водоснабжения лаборатории. Другие концы труб присоединены через вентили ВН1, ВН2, ВН3 к коллектору с трубой 4, заканчивающейся поворотным патрубком ПТ1.

Приёмный бачок Б1 разделен на два отсека: проточный, который соединён напрямую со сливным баком Б3 системы оборотного водоснабжения, и мерный объёмом 9,8л, который соединён со сливным баком Б3 системы оборотного водоснабжения лаборатории через вентиль ВН5.

Вентилями ВН4 и ВН1 (ВН2, ВН3) можно регулировать расход воды в трубе 1 (2, 3).

Диаметры и длины исследуемых участков труб приведены в Таблице 1.

Таблица 1. Геометрические размеры исследуемых труб и диафрагмы.

№ трубы	Диаметр, мм	Длина, мм	Диаметр отверстия диафрагмы, мм
1	21	6170	14
2	27	6310	диафрагмы нет
3	36	6330	диафрагмы нет

2. Принцип действия установки.

К установке вода подводится по трубопроводу от напорного бака Б2 системы оборотного водоснабжения лаборатории. В нем с помощью насоса Н1 и автоматики (или переливной трубы 12) поддерживается неизменный уровень воды, и, таким образом, при любом открытии вентилей ВН4 и ВН1, ВН2, ВН3, обеспечивается постоянный расход потока в исследуемых трубах.

Вода из системы оборотного водоснабжения лаборатории поступает в трубы 1, 2, 3 через вентиль ВН9 системы оборотного водоснабжения лаборатории, входной вентиль ВН4 учебной установки и течёт через трубу, у которой открыт выходной вентиль (у двух других труб выходные вентили должны быть в это время закрыты), в трубу 4 коллектора.

Направляя струю воды с помощью поворотного патрубка ПТ1 в проточный отсек бачка Б1, можно отрегулировать вентилями ВН4 и ВН1 (ВН2 или ВН3) нужный расход воды через трубу 1 (2 или 3 соответственно).

Пьезометры П1н (П2н или П3н) измеряют пьезометрические напоры в начале труб, а пьезометры П1к (П2к или П3к) – в конце труб; пьезометры П4 и П5 измеряют перепад давления на нормальной диафрагме ДФ1. Воздушный коллектор 8, соединяющий верхние концы пьезометров П1н, П1к, П2н, П2к, П3н, П3к, и воздушный коллектор 9, соединяющий верхние концы пьезометров П4 и П5, позволяют уменьшить габариты учебной установки, т.к. измерение пьезометрического давления производится при повышенном внешнем (атмосферном) давлении. Вентили ВН6 и В7 предназначены для регулирования положения пьезометрических линий путём выпуска воздуха из воздушных коллекторов.

Внимание! Пользуясь вентилями ВН6 и ВН7, не допускайте попадания воды из пьезометров в воздушные коллектора 8 и 9, соответственно.

Для удобства снятия показаний, пьезометры начала и конца каждой трубы конструктивно расположены рядом.

При работе с трубой 1, можно одновременно проводить измерения напоров в начале и в конце трубы, на входе и выходе диафрагмы.

Расход воды измеряется объёмным способом с использованием мерного отсека бачка Б1 и секундомера. Для этого необходимо закрыть вентиль ВН5, с помощью поворотного патрубка ПТ1 направить воду в мерный отсек бачка Б1 и замерить секундомером время его заполнения до момент начала перелива воды через перегородку.

Температура воды измеряется термометром Т1.