Общие сведения о местных гидравлических сопротивлениях

М

Рис. 3.1. Обтекание диафрагмы

естные гидравлические сопротивления обусловлены изменением размеров или конфигурации русла, а также различными препятствиями движению (сетки, фильтры и т.п.). Картина преодоления жидкостью любого препятствия (местного сопротивления) чрезвычайно сложна. При этом может происходить изменение направления скорости, перераспределение её по сечению, отрыв транзитного потока от стенок трубопровода и т.п. В последнем случае между транзитным потоком и стенками трубопровода образуются вихревые зоны (рис. 3.1). Все эти явления требуют затрат энергии и поэтому полный напор жидкости уменьшается после преодоления местных сопротивлений, превращаясь в тепло.

Для выяснения некоторых особенностей определения коэффициентов местных сопротивлений запишем уравнение Д. Бернулли для двух сечений, одно из которых расположено на входе (1), а другое — на выходе (2) из участка, содержащего местное сопротивление:

,

где — потери полного напора на этом сопротивлении. Эти потери удобно записать через коэффициент местного сопротивления , используя формулу Вейсбаха: . Таким образом, коэффициент местного сопротивления есть отношение потерянного напора к скоростному напору. Обычно в эту формулу подставляют то значение скорости, которое является наибольшим из двух значений: на входе или на выходе, т.е. . Следует отметить, что от этого выбора зависит только величина коэффициента местного сопротивления, но не сами потери. С физическим смыслом других слагаемых и параметров этого уравнения следует ознакомиться по материалам лабораторных работ 1 и 2.

Если исследуемый участок трубы горизонтален, т.е. , то .

Отсюда .

Очень сложным является вопрос о характере течения до и после препятствия. Острые кромки, сужение канала, и многие другие препятствия могут привести к турбулизации потока, т.е. поток до препятствия возможно был ламинарным, а после — стал турбулентным. Наблюдается и обратное явление, т.е. поток успокаивается и становится ламинарным. Эта неопределённость значительно затрудняется экспериментальное определение коэффициента местного сопротивления в диапазоне чисел , близких к критическому. Если характер течения до и после препятствия будет одинаковым (ламинарным или турбулентным), то можно предположить, что . Но задача особенно облегчается, если имеется уже сформировавшееся турбулентное течение и можно принять . В этом случае . Если площади сечений на входе и выходе одинаковы, то и . В данной лабораторной работе по этой формуле определяются коэффициенты сопротивления для мерной шайбы и при поворотах трубопровода.

Если , т.е. трубопровод расширяется, то

.

Если , т.е. трубопровод сужается, то

.

Здесь приведен окончательный вид формул для трубопровода круглого сечения. В этих формулах учитывается суммарное сопротивление, т.е. потери на трение и на вихреобразование. Чтобы выделить местные сопротивления, необходимо из них вычесть потери на трение, т.е. . Для данной экспериментальной установки коэффициенты трения были определены заранее (для ) и их значения уже занесены в протокол.