11.2. Течение при больших перепадах давления

Опыт показывает, что при ламинарном течении в зазорах и трубах, происходящем под действием больших перепадов давления (около нескольких десятков МПа), падение напора вдоль потока оказывается существенно нелинейным, т.е. пьезометрическая линия для потока постоянного сечения заметно искривляется, а закон Пуазейля дает значительную погрешность.

Объясняется это тем, что при любом режиме потеря энергии на единицу расхода жидкости растет пропорционально перепаду давления, что влечет за собой нагревание жидкости при больших перепадах давления и уменьшение ее вязкости. С другой стороны, так как вязкость жидкости возрастает с yвеличением давления, в начале потока она будет повышенной, а вдоль потока будет уменьшаться вследствие падения давления. Таким образом, вязкость переменна вдоль потока, и, как результат одновременного действия на нее температуры и давления, продольный градиент давления dp/dx, обусловленный трением, оказывается в начале потока больше, а в конце потока меньше, чем то следует из закона Пуазейля. Что касается расхода, то повышение температуры уменьшает вязкость и, следовательно, способствует увеличению расхода, а высокое давление в жидкости повышает вязкость и уменьшает расход по сравнению с его значением по Пуазейлю при том же перепаде давления, т.е. влияние этих двух факторов на расход является противоположным.

С описанным видом ламинарного течения приходится сталкиваться особенно часто в высоконапорных гидромашинах, где под действием больших перепадов давления происходит перетекание вязкой жидкости через малые зазоры.

12. Лекция №12

12.1. Потери напора при турбулентном течении в гидравлически гладких круглых трубах

Для практических расчетов, связанных с турбулентным течением жидкостей в трубах, пользуются экспериментальными данными, систематизированными на основе теории гидродинамического подобия. Основной расчетной формулой для расчета потерь напора при турбулентном течении в круглых трубах является формула, называемая формулой Дарси- Вейсбаха и имеющая следующий вид

. (12.1)

Эта основная формула применима как при турбулентном, так и при ламинарном течении; различие заключается лишь в значениях коэффициента . Так как при турбулентном течении потеря напора на трение приблизительно пропорциональна скорости (и расходу) во второй степени, коэффициент потерь на трение в формуле в первом приближении для данной трубы можно считать величиной постоянной.

Однако из закона гидродинамического подобия следует, что коэффициент так же, как и, должен быть функцией основного критерия подобия напорных потоков - числа РейнольдсаRe, а также может зависеть от безразмерного геометрического фактора - относительной шероховатости внутренней поверхности трубы, т.е.

, (12.2)

где - средняя высота бугорков шероховатости;

d - диаметр трубы.

Когда шероховатость трубы не влияет на ее сопротивление (на ), трубу называют гидравлически гладкой. Для этих случаев коэффициентявляется функцией лишь числа Рейнольдса:. Существует ряд эмпирических и полуэмпирических формул, выражающих эту функцию для турбулентного течения в гидравлически гладких трубах; одной из наиболее удобных и употребительных является формула П. К. Конакова:

, (12.3)

применяемая при числе Re от доRe, равного нескольким миллионам.

При 2300 < Re < 10⁵ можно пользоваться также формулой Блазиуса:

. (12.4)

С увеличением Re коэффициент уменьшается, однако это уменьшение гораздо менее значительно, чем при ламинарном течении (рис. 12.1). Это связано с тем, что непосредственное влияние вязкости жидкости на сопротивление в турбулентном потоке гораздо меньше, чем в ламинарном.

Основную роль в образовании потерь энергии при турбулентном течении играют перемешивание и рассеивание кинетической энергии завихренных частиц.

Рис. 12.1. Зависимость иот числаRe

К числу гидравлически гладких труб можно без большой погрешности отнести цельнотянутые трубы из цветных металлов (включая и алюминиевые сплавы), а также высококачественные бесшовные стальные трубы. Таким образом, трубы, употребляемые в качестве топливопроводов и гидросистем, в обычных условиях можно считать гидравлически гладкими и для их расчета пользоваться приведенными формулами. Водопроводные стальные и чугунные трубы гладкими нельзя считать, так как они обычно дают повышенное сопротивление.