Глава 9

ПОТЕРИ НАПОРА ПРИ НЕРАВНОМЕРНОМ ДВИЖЕНИИ ЖИДКОСТИ

9.1. Общие сведения

При протекании вязкой жидкости через короткие участки, непосредственно примыкающие к конструктивным элементам труб или русл, происходит изменение вектора средней скорости. Обычно причиной изменения средней скорости служит изменение геометрии границ потока (т. е. изменение площади сечения) или изменение направления движения жидкости. Во многих случаях может происходить изменение и значения средней скорости, и направления движения (например, при прохождении жидкости через некоторые фасонные части трубопроводов).

В рассматриваемых случаях на коротких участках потока происходят изменения кинематических параметров. В пределах таких участков движение жидкости неравномерное.

Во многих случаях при прохождении жидкости через конструктивные элементы (рис.9.1) происходит отрыв потока от стенок, образуются циркуляционные зоны (если жидкость - вода, то эти зоны называются водоворотными) и интенсивное вихреобразование с последующим гашением вихрей в толще потока, в турбулентном потоке усиливаются пульсации скоростей. В результате этих явлений часть удельной энергии (напора) затрачивается на преодоление сопротивлений движению жидкости, возникающих в связи с работой сил трения внутри вязкой жидкости, часть механической энергии переходит в теплоту. При этом местная потеря напора определяется по (7.6):

,

где - безразмерный коэффициент местного сопротивления.

Для большинства местных сопротивлений приведенные в литературе коэффициенты потерь найдены экспериментально. При проведении опытов необходимо соблюдать следующие требования. Исследуемый конструктивный элемент трубы устанавливается на участке трубопровода, достаточно удаленном от входа и от предшествующего (по течению) другого конструктивного элемента. В местах установки пьезометров не должно ощущаться влияние входа в трубу, изучаемого объекта и других конструктивных элементов на распределение скоростей и давлений по сечению. Пьезометры должны устанавливаться в сечениях, где движение равномерное или плавно изменяющееся. Установка пьезометров непосредственно перед изучаемым конструктивным элементом и за ним не приведет к правильным результатам.

С помощью пьезометров определяется перепад пьезометрических напоров, равный при и

.

В данном случае .

Затем на таком же участке трубопровода, но без рассматриваемого конструктивного элемента измеряется потеря напора . Одновременно в обоих случаях определяется средняя скорость потока. Отсюда получаем местные потери напора, а затем.

Когда , т. е. площади сечения до конструктивного элемента и за ним различны, а,определяют из (5.21). Экспериментальное определениев этом случае гораздо труднее, чем при постоянных размерах сечения до конструктивного устройства и за ним.

Коэффициенты местных сопротивлений , так же как и коэффициенты Дарси, могут являться функцией ряда факторов. Среди них главным является геометрическая форма. При напорном установившемся движении в общем случае для данной геометрической формы

.

Если движение неустановившееся, то в число влияющих факторов добавляется число Струхала .

Во многих случаях относительная шероховатость не влияет на . Влияние числа Кармананаизучено пока недостаточно.

Большинство коэффициентов местных сопротивлений при напорном движении в трубопроводах не зависит от числаRe при Re>5(10³-10⁴). При меньших значениях чисел Re коэффициенты обычно увеличиваются с уменьшениемRe.

Коэффициенты местного сопротивления могут быть представлены в виде

,

где - коэффициент местного сопротивления в квадратичной области сопротивления, в которой потери удельной энергии (напора) пропорциональны квадрату средней скорости;- коэффициент.

При достаточно больших числах Re второй член в этой формуле значительно меньше, чем . Этот факт найдет отражение в приводимых ниже замечаниях о значениях числаRe, при которых коэффициенты не зависят от него.

Влияние многообразия геометрических параметров различных конструктивных схем и особенностей условий движения на значения коэффициентов отражено в специальных гидравлических справочниках. Отметим, что местные потери напора при напорном движении в трубах изучены гораздо полнее, чем при безнапорном движений.