Втрата тиску. Гідравлічні опори

Зміст 

1. Режими руху рідини.

2. Лінійні втрати напору при русі рідини.

3. Місцеві втрати напору при русі рідини.

 

1. Режими руху рідини

У гідравліці розрізняють такі основні режими руху рідини: ламінарний, турбулентний і кавітаційний.

Ламінарний (шаруватий) рух характерний тим, що частинки рідини рухаються у своїх шарах не перемішуючись (рис.1).

Рис. 1. Характер ліній струму в ламінарному потоці

Дотичне напруження, що виникає при ковзанні шарів рідини, підпорядковується закону Ньютона.

, н/м2.

(1)

При ламінарному русі відбувається поступальний і обертальний рух частинок. Течія є строго сталою. Лінії току паралельні осі трубки. Перемішування шарів рідини не відбувається.

Турбулентна течія супроводжується інтенсивним перемішуванням рідини і пульсацією швидкостей і тиску. Течія, строго кажучи, нестала. Вважатимемо течію сталою умовно користуючись V_уср. На відміну від V_ср за перетином, V_уср усереднюється за величиною. Дотичне напруження визначається за формулою:

(2)

де l - усереднена за часом вертикаль переміщення частинок.

Рис. 2. Характер ліній току в турбулентному потоці

Разом з подовжнім переміщенням потоку відбувається поперечний і обертальний рух окремих об'ємів.

У 1883 році Рейнольдс встановив, що перехід від ламінарної течії до турбулентної залежить від в'язкості і характерного розміру - діаметру трубопроводу. Зміна режимів відбувається при певній швидкості, яка називається критичною, при цьому її значення визначається із співвідношення

(3)

де Rе_кр - критичне число Рейнольдса (Rе- критерій подібності, що характеризує в'язкість рідини); v - кінематична в'язкість.

Дослідами встановлено, що для рідин Rе_кр = 2300. Тому про характер течії можна судити за фактичним значенням числа Rе, виражаючи його через фактичну швидкість.

(4)

Якщо Rе < Rе_кр - течія ламінарна, при Rе Rе_кр - течія турбулентна.

При русі рідини в трубах іноді відбуваються явища, пов'язані з виділенням розчинених в рідині газів і з перетворенням рідини в пару.

Кавітаційний режим течії (кавітація) - це місцеве закипання рідини, обумовлене місцевим падінням тиску в потоці з подальшою конденсацією пари у області підвищеного тиску (рис.4.3).

Рис. 3. Схема трубки для демонстрації кавітації

Розглянемо рух рідини через місцеве звуження. Позначимо через р_м - місцевий тиск у вузькому перетині. Швидкість в перетині 2-2 збільшена порівняно з перетином 1-1, тому рм<р в порівнянні з перетином 1-1.

Якщо швидкість течії (витрата) в трубопроводі збільшиться, то тиск у вузькому перетині впаде ще більше. При цьому, якщо р_м > р_t, то течія буде без особливостей (р_t - тиск насиченої пари). Якщо р_м = р_t, то у вузькому місці почнеться місцеве кипіння рідини. У частині, що розширюється, швидкість зменшується, тиск зростає, кипіння припиниться.

Кавітація супроводжується характерним шумом - "бубнінням", а при тривалій дії призводить до ерозії стінок труби, причому ерозія відбувається не в місці утворення бульбашок, а в місці їх конденсації. У гідротехнічних системах кавітація може виникнути у зв'язку із зменшенням зовнішнього тиску. Потік при цьому стає двофазним, що складається з рідкої і парової фаз. При цьому можуть спостерігатися різні схеми потоків (рис.4.4).

а) малобульбашкова;

б) крупнобульбашкова;

в) з розділенням рідкої і парової фаз;

г) з утворенням парових пробок.

Рис. 4. Схеми потоків рідини з повітрям

Для боротьби з кавітацією прагнуть виключити різкі звуження трубопроводів, а в баках створюють додаткове підтискування. Кавітація характеризується коефіцієнтом

Кавітація починається при =0. Шкідливі наслідки кавітації:

–        погіршення гідравлічних характеристик дросельних пристроїв;

–        ерозії каналів;

–        деструкції присадки гідравлічних рідин;

–        коливань тиску.

Широкі дослідження кавітації створюють передумови для використання її в практичних цілях. Кавітаційні пристрої, засновані на явищі стабілізації витрат, використовуються як регулятори подачі палива тощо. Ефект гідродинамічної кавітації використовується для очищення деталей від забруднення і для дроблення частинок забруднювача. При промивці моделей з органічного скла досягається повне видалення забруднень з тупикових поверхонь завдовжки 8-10 метрів.