39. Природа потерь напора, их связь с режимом движения жидкости.

Сопротивления, возникающие при движении жидкости, называются гидравлическими сопротивлениями. На их преодоление тратится некоторая часть удельной энергии движущейся жидкости, которую называют потерей удельной энергии, или потерей напора. Все гидравлические сопротивления разделяются на два вида: сопротивления по длине потока ()или линейные, и местные сопротивления (). Гидравлические линейные сопротивления обусловливаются действием сил трения. В чистом виде эти потери возникают в прямых трубах постоянного сечения, т.е. при равномерном движении, и возрастают пропорционально длине трубы. Этот вид трения имеет место не только в шероховатых, но и в гладких трубах. Местные гидравлические сопротивления обусловливаются местными препятствиями потоку жидкости – в виде изгиба трубы, внезапного сужения или расширения русла, при обтекании клапанов, решеток, диафрагм, кранов, которые деформируют обтекающий их поток. При протекании жидкости через местные сопротивления ее скорость изменяется, и обычно возникают вихри, т.е. движение неравномерное. Таким образом, общие потери напора при движении жидкости будут равны сумме потерь напора на трение (), вызванных гидравлическими сопротивлениями по длине потока и потерь напора на местные сопротивления ( ), т. е.

40. Уравнение Дарси-Вейсбаха для расчета потерь напора по длине трубопровода.

Все потери напора (и местные, и линейные) выражаются в общем виде формулой Вейсбаха: т.е. через скоростной напор, где коэффициент потерь(коэффициент сопротивления) показывает долю скоростного напора, затрачиваемого на преодоление данного сопротивления. Если определяются местные потери напора, то в формуле коэффициентзаписывается с индексом “м” (местная потеря напора):, где – коэффициент сопротивления для данного местного сопротивления. При равномерном движении жидкости потери напора по длине также могут быть выражены формулой: , где – коэффициент потерь по длине. Величина коэффициента сопротивления по длине выражается в виде:, где – коэффициент сопротивления трению по длине (коэффициент Дарси), – длина рассматриваемого участка, – гидравлический радиус. Если рассматривать напорное движение в трубах круглого поперечного сечения диаметром , то так как:Окончательно формула для линейных потерь напора, имеет вид:Эта формула Дарси-Вейбаха действительна как для ламинарного, так и для турбулентного режима, но расчетные выражения для коэффициента Дарси()будут различными. И в общем виде потери напора выражаются следующей формулой:

41.1 Понятие гидравлически гладких и шероховатых труб.

На характер механизма сопротивления при турбулентном режиме оказывает также значительное влияние пограничная геометрия потока, под которой в данном случае понимаются геометрические характеристики поверхности трубы (высота выступов шероховатости, их форма, взаимное расположение на поверхности и др.). Поверхности стенок трубопроводов имеют различную шероховатость. Высота выступов шероховатости называется абсолютной шероховатостью (). Так как промышленные трубопроводы обладают неравномерной высотой выступов, то пользуются понятиемэквивалентной шероховатости, под которой понимают такую условно равномерную шероховатость, при которой потери напора в трубопроводе такие же, как и при естественной шероховатости. Эквивалентная шероховатость определяется при гидравлических испытаниях трубопроводов. Измерения скоростей показывают, что при переходе к турбулентному режиму у стенок сохраняется очень тонкий слой жидкости, в котором частицы, подторможенные и направленные стенками, сохраняют слоистый характер движения (так называемый ламинарный подслой). Поэтому профиль осредненных скоростей имеет два значительно различающихся участка (рис.). В турбулентном ядре благодаря интенсивному поперечному перемешиванию и выравниванию скоростей частиц осредненные скорости изменяются сравнительно слабо и их распределение по основной части сечения оказывается значительно более равномерным, чем при ламинарном режиме (ядро потока представляет так называемый турбулентный пограничный слой). В пределах ламинарного подслоя происходит весьма резкое падение скоростей от большого значения на его границе до нуля на стенке. Толщина ламинарного подслоя чрезвычайно мала (сотые и тысячные доли диаметра трубопровода) и уменьшается с увеличением числа Рейнольдса. Между турбулентным ядром и ламинарным подслоем имеется тонкий переходной участок, в котором по мере приближения к подслою происходит резкое уменьшение турбулентных пульсаций и более интенсивное снижение осредненных скоростей. Поэтому, так как характеристики потока меняются по радиусу непрерывно, установить границы между этими участками можно только с известной условностью.

Приближенно толщину ламинарной пленки можно определить по формуле

, (6.5)

где - коэффициент гидравлического трения;d- диаметр трубопровода;

Если толщина ламинарного подслоя значительно больше высоты выступов шероховатости (рис. 6.2, а), то они плавно обтекаются с очень малыми скоростями и, как в случае ламинарного движения, не влияют на распределение скоростей и сопротивление трения (область гидравлически гладких труб).