6. Контрольные вопросы.

1. Какое движение жидкости называется ламинарным и какое – турбулентным?

2. От каких параметров зависит режим движения жидкости в трубе?

3. Когда имеет место переходный режим (зона)?

4. Как изменяется число Рейнольдса при увеличении температуры движущейся жидкости?

5. В чём состоит отличие ламинарного режима от турбулентного?

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №5

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПОТЕРЬ НАПОРА ПО ДЛИНЕ В ПРЯМОЙ ТРУБЕ ПОСТОЯННОГО СЕЧЕНИЯ.

1. Цель работы

Опытная проверка расчетных зависимостей, применяемых для определения потерь напора по длине в трубе постоянного сечения.

2. Понятие о гидравлически гладких и шероховатых трубах.

Движение реальной вязкой жидкости по трубопроводу сопровождается потерей полной удельной энергии (напора), возникающей вследствие трения между слоями движущейся жидкости, между жидкостью и стенкой трубопровода и из-за пульсаций местных мгновенных скоростей при турбулентном режиме. Экспериментально потери на трение по длине можно измерить по разности показаний пьезометров, установленных на некотором расстоянии один от другого, как разность их пьезометрических напоров:

(5.1)

Теоретические потери напора по длине определяются по формуле Дарси-Вейсбаха:

, (5.2)

где λ- коэффициент гидравлического трения;

l – длина трубопровода;

d – внутренний диаметр трубопровода;

 – средняя скорость потока в трубе.

Величина коэффициента λ зависит от многих факторов, в том числе и от режима движения.

Ламинарный режим. Коэффициент гидравлического трения зависит от числа Re и определяется по формуле

. (5.3)

Число Рейнольдса определяется по формуле

. (5.4)

где  – кинематический коэффициент вязкости (при температуре воды t=20°С =0,01 см²/с).

Потери напора в данном случае пропорциональны скорости в первой степени (h≡).

Турбулентный режим. Коэффициент λ зависит как от числа Re так и от состояния внутренней поверхности трубы. В качестве основной характеристики внутренней поверхности трубы служит так называемая эквивалентная шероховатость k_э, которая характеризует не только среднюю высоту выступов, но также их форму, распределение по поверхности и т.д. Эквивалентная шероховатость устанавливается экспериментально на основе гидравлических испытаний различных трубопроводов и приводится в справочниках (табл.5.1).

Экспериментальные исследования движения турбулентного потока у стенки трубы показали, что характер обтекания потоком выступов шероховатости различен для разных скоростей движения (рис.5.1.).

а)

б)

Рис.5.1. Течение вблизи стенки при малых (а) и больших (б) скоростях.

В зависимости от характера обтекания потоком выступов шероховатости изменяется величина коэффициента λ. Можно выделить три области зависимости λ от Re и k_э.

1. Область гладкого трения (гидравлически гладкие трубы).

Жидкость обтекает выступы, шероховатости без образования вихрей, поэтому характер шероховатостей поверхности трубы не оказывает влияния на величину сопротивления. Коэффициент λ в этой области зависит только от числа Re и определяется по формуле Блазиуса

. (5.5)

2. Переходная область (частично шероховатые трубы).

У стенки появляются отдельные вихри, и на величину λ уже оказывает влияние состояние поверхности. Коэффициент λ зависит от числа Re и от относительной шероховатости k_э/d и определяется по формуле Альтшуля

. (5.6)

3. Область шероховатого трения (гидравлически шероховатые трубы).

Размер вихрей постоянен и не зависит от скорости потока. Величина λ зависит от материала трубы, состояния внутренней поверхности и определяется по формуле Шифринсона

. (5.7)

В данной области λ не зависит от числа Re, поэтому область часто называют «автомодельной». Потери напора в случае гидравлически шероховатых труб пропорциональны скорости во второй степени (h≡²).

На практике при расчёте потерь напора по длине принимают, что если число Re < 2320, то режим движения жидкости в трубе – ламинарный, если Re ≥ 2320 – турбулентный. Для определения границ областей при турбулентном режиме можно использовать график, предложенный Альтшулем (рис.5.2), по которому легко выбрать формулу: (5.5), (5.6) или (5.7) для определения λ.

Рис.5.2.Границы областей применения формул для определения λ

Л – область ламинарного режима;

I – область гладкого трения;

II – переходная область;

III – область шероховатого трения

3. ПРОГРАММА РАБОТЫ.

1. Экспериментально определить потери напора по длине для различных значений числа Re.

2. Определить теоретически потери напора по длине в стеклянной трубе.

3. Сравнить величины потерь напора, полученные экспериментальным и теоретическим путем, вычислить погрешность.

4. ОПИСАНИЕ ЛАБОРАТОРНОЙ УСТАНОВКИ.

Рабочий участок гидростенда для данной работы представляет собой стеклянную трубу 1 диаметром 17 мм (рис.5.3). На входе и на выходе из трубы установлены трубки 2, соединенные с пьезометрами 3, для измерения пьезометрического напора. Расстояние между трубками l=85 см.

Рис.5.3. Схема рабочего участка лабораторной установки.