Лабораторная работа № определение потерь напора при установившемся движении жидкости в трубопроводе
Цель работы: определение потерь капора по длине трубопровода и местных потерь напора при установившемся движении жидкости в трубопроводе.
Теоретические основы работы
Различают потери напора по длине трубопровода и местные потери напора.
Потери напора по длине имеют место в прямолинейных трубопроводах и определяются затратами энергии на преодоление сил сопротивления, возникающих от трения потока жидкости в пристенном слое трубопровода.
На участках трубопровода, где имеются повороты, расширения или сужения канала, установлены диафрагмы, заслонки, вентили, сетки и т.п. возникают местные потери капора, которые определяются в основном затратами энергии на создание вихрей с последующим переходом кинетической энергии их вращения в тепло под действием сил внутреннего трения.
Потери напора по длине hL при движении вязкой жидкости в прямолинейном трубопроводе с поперечным сечением круглой формы определяются по формуле:
hL= λ(L/d)(v2/2g) (1)
где λ - коэффициент гидравлического сопротивления канала; L- длина прямолинейного участка трубопровода в м; d -диаметр круглого трубопровода в ,м; V - средняя скорость жидкости в сучении трубопровода, м/с , g =9,81 м/с2 – ускорение свободного падения.
При Re < 2300, т.е. в области ламинарного течения жидкости, значения коэффициентов гидравлического сопротивления в круглом трубопроводе определяются по формуле
λ= 64/ Re (2)
Re = v d/ν - критерий Рейнольдса; ν – кинематическая вязкость жидкости (м2/с). В этом случае потери напора по длине грубы пропорциональны первой степени скорости v .
В области ламинарного режима течения значения коэффициентов гидравлического сопротивления λ не зависят от величины выступов шероховатости ∆.
При величине критерия Рейнольдса более 4000 режим течения в круглых трубах становится турбулентным.
В области 2300< Re <4000 режим течения жидкости в трубах является переходным.
Число Re, соответствующее началу перехода режима течения из ламинарного в турбулентный зависит от параметров шероховатости стенок трубы. При турбулентном режиме течения непосредственно у стенки трубы формируется ламинарный подслой толщиной δ. Трубы считаются гидравлически гладкими, если величина выступов шероховатости ∆ меньше δ. Для гидравлически гладких труб при турбулентном режиме течения жидкости в диапазоне 2300<Re<3.106 справедлива формула Конакова:
λ = (1,8 lgRe – 1,5)-2 (3)
Для 4000<Re<105 коэффициент гидравлического сопротивления может быть определён по более простой зависимости Блазиуса:
λ =0,3164 Re-0,25 (4)
При течении жидкости в шероховатых трубах различают две области турбулентного течения. В первой области ( величина критерия Рейнольдса до 1,5.105) величина λ зависит как от шероховатости трубы, так и от величины Re. Примерами расчётных зависимостей может служить формула Френкеля:
λ = {-2 lg0,27(∆/d)+(6,81/ Re)0,9}-2 (5),
Для больших значений Re и при турбулентном течении жидкости в трубах с большой шероховатостью стенки (v∆/ν>1260) наблюдается так называемая квадратичная область течения, в которой коэффициент гидравлического сопротивления зависит только от шероховатости стенки канала. В этом случае коэффициент гидравлического сопротивления может быть определён по формуле Теплова
λ =(1,8lg(d/∆) + 1,65)-2 (6)
Местные потери напора рассчитываются по формуле:
hм= ξ (v2/2g) (7)
где ξ - коэффициент местного сопротивления ,
v - скорость движения жидкости за местным сопротивлением.
Коэффициенты местных сопротивлений определяются опытным путем. При решении инженерных задач для их расчета используют справочные данные, справедливые для конкретных видов сопротивления. Например, местное сопротивление ξ при внезапном сужении течения изменяется в пределах от 0,5 до-0,15 при изменении отношения f1/f2 от 0,1 до .0,8, где - f1 площадь "живого" сечения в узкой части потока, а - f2 площадь "живого" сечения в широкой части потока. При течении потока через сетку значение ξ изменяется в пределах от 1,0 до 5,0 в зависимости от ее конструкции. При плавном закруглении на угол 90о колена трубы диаметром d и радиусом закругления R значения ξ изменяются в пределах от 0,13 до 1,98 при изменении d/R от 0,2 до 2,0.