- •В.А.Кудинов, э.М.Карташов гидрАвЛика
- •Глава 1 введение
- •§ 1.1. Краткий исторический обзор развития гидравлики
- •§ 1.2. Определение науки «Гидромеханика»
- •§ 1.3. Реальные и идеальные жидкости
- •§ 1.4. Размерности физических величин, применяемых в гидРомеханИке
- •Глава 2 свойства жидкостей
- •§ 2.1. Основные физико-механические свойства жидкости
- •§ 2.2. Вязкость. Закон ньютона для внутреннего трения в жидкости
- •§ 2.3. Зависимость вязкости от температуры и давления. Вискозиметры
- •Глава 3 гидростатика
- •§ 3.1. Силы, действующие в жидкости
- •§ 3.2. Гидростатическое давление и его свойства
- •§ 3.3. Дифференциальные уравнения равновесия жидкости
- •§ 3.4. Потенциал массовых сил
- •§ 3.5. Интеграл уравнений эйлера для несжимаемой жидкости
- •§ 3.6. Уравнение поверхности равного давления
- •§ 3.7. Основное уравнение гидростатики
- •§ 3.8. Методы и приборы для измерения давления. Абсолютное и избыточное давление. Вакуум
- •§ 3.9. Гидростатический напор и энергетический закон для жидкости, находящейся в равновесии
- •§ 3.10 Интегрирование уравнений эйлера для случая относительного покоя жидкости
- •§ 3.11. Сила давления жидкости на криволинейную поверхность произвольной формы
- •§ 3.12. Частные случаи расчета сил, действующих на криволинейные поверхности закономерных форм
- •§ 3.13. Сила давления жидкости на плоскую стенку произвольной формы
- •§ 3.14. Гидростатический парадокс
- •§ 3.15. Центр давления и определение его координат
- •§ 3.16. Простые гидравлические машины. Гидравлический пресс
- •§ 3.17. Гидравлический аккумулятор
- •§ 3.18. Закон Архимеда
- •§ 3.19. Условия плавучести и остойчивости тел, частично погруженных в жидкость
- •Глава 4 Гидродинамика
- •§ 4.1. Основные кинематические понятия и определения. Два метода исследования движения жидкости
- •§ 4.2. Траектории частиц и линии тока
- •§ 4.3. Установившееся движение
- •§ 4.4. Струйчатая модель движения жидкости. Трубка тока. Расход жидкости
- •§ 4.5. Средняя скорость
- •§ 4.6. Уравнение неразрывности в переменных эйлера в декартовой системе координат
- •§ 4.7. Дифференциальные уравнения движения идеальной (невязкой) жидкости (уравнения эйлера)
- •§ 4.8. Дифференциальные уравнения движения вязкой жидкости (уравнения навье-стокса)
- •§ 4.9. Уравнение бернулли для элементарной струйки идеальной жидкости
- •§ 4.10. Физический и геометрический смысл уравнения бернулли. Напор жидкости
- •§ 4.11. Уравнение бернулли для элементарной струйки реальной жидкости
- •§ 4.12. Уравнение бернулли для потока реальной жидкости
- •§ 4.13. ГрафИческая иллюстрация уравнения бернулли для потока реальной жидкости
- •§ 4.14. Практическое применение уравнения бернулли
- •§ 4.15. Трубка прандтля
- •§ 4.16. Трубка вентури, сопло, диафрагма
- •Глава 5 основы теории гидродинамического подобия
- •§ 5.1. Основные понятия и определения теории подобия
- •§ 5.2. Теоремы теории подобия. Критерии подобия
- •§ 5.3. Физический смысл критериев подобия
- •§5.4. Метод анализа размерности
- •Глава 6
- •§ 6.1. Два режима движения жидкости
- •§ 6.2. Равномерное движение жидкости
- •§ 6.3. Основное уравнение равномерного потока. Уравнение динамического равновесия равномерного потока
- •§ 6.4. Ламинарное движение жидкости
- •§ 6.5. Расход жидкости
- •§ 6.6. Коэффициент линейных потерь при ламинарном движении жидкости
- •§ 6.7. Формирование изотермического ламинарного потока
- •§ 6.8. Основы гидродинамической теории смазки
- •§ 6.9. Турбулентное движение жидкости
- •§ 6.10. Турбулентное перемешивание. Пульсация скоростей и напряжений при турбулентном режиме
- •§ 6.11. Осреднение скоростей
- •§ 6.12. Осреднение напряжений
- •§ 6.13. Структура турбулентного потока
- •§ 6.14. Касательные напряжения в турбулентном потоке
- •§ 6.15. Полуэмпирические теории турбулентности
- •§ 6.16. Логарифмический закон распределения скоростей в круглой трубе
- •§ 6.17. Экспериментальные данные для коэффициента гидравлического сопротивления. Опыты Никурадзе и Зегжда
- •§ 6.18. Формулы для определения коэффициента гидравлического сопротивления
- •§ 6.19. Местные сопротивления
- •§ 6.20. Зависимость коэффициента местных потерь от числа Рейнольдса
- •§ 6.21. Принцип наложения потерь напора. Коэффициент сопротивления системы
- •§ 6.22. Основные расчетные формулы для определения потерь напора
- •Глава 7 Гидравлический расчёт трубопроводов
- •§ 7.1. Назначение и классификация трубопроводов
- •§ 7.2. Расчет и проектирование трубопроводов
- •§ 7.3. Гидравлический расчет простого трубопровода
- •§ 7.4. Метод эквивалентных потерь
- •§ 7.5. Гидравлический расчет сложных трубопроводов
- •§ 7.6. Гидравлические характеристики трубопроводов
- •§ 7.7. Гидроэнергетический баланс насосной установки
- •§ 7.8. Сифонные трубопроводы
- •§ 7.9. Гидравлический удар в трубах
- •§ 7.10. Кавитация
- •Глава 8 Истечение жидкости через отверстия и насадки
- •§ 8.1. Истечение через малое отверстие в тонкой стенке
- •§ 8.2. Истечение через большое отверстие
- •§ 8.3. Истечение через затопленное отверстие
- •§ 8.4. Истечение жидкости при переменном напоре
- •§ 8.5. Истечение через насадки
- •Оглавление
- •Средние значения модуля упругости е жидких и твердых тел
- •Средние значения эквивалентной шероховатости э
- •Библиографический список
§ 6.17. Экспериментальные данные для коэффициента гидравлического сопротивления. Опыты Никурадзе и Зегжда
При исследовании турбулентного движения жидкости в трубах необходимо решать два основных вопроса – определение потерь напора и распределения скоростей по поперечному сечению трубы. Опыты показывают, что обе эти величины существенно изменяются в зависимости от диаметра трубы, вязкости жидкости, скорости движения и шероховатости стенок труб.
Экспериментальные данные для в широком интервале чисел Re были получены Никурадзе в трубах и Зегжда - в прямоугольных каналах с искусственной (песочной) шероховатостью.
С
Рис.
6.18
Рис.6.19
Таким образом, абсолютная шероховатость это есть средняя высота выступов шероховатости. Относительная шероховатость определяется величиной
,
где r0 - радиус трубы.
Величина, обратная относительной шероховатости
,
называется относительной гладкостью.
Результаты опытов Никурадзе представлены на графиках рис.6.20.
Рис.6.20
На графике (см. рис.6.20) всю область чисел Рейнольдса можно разделить на 5 характерных зон движения.
1 - зона ламинарного режима (Re < 2300 или lgRe < 3,6). Здесь все опытные точки, независимо от шероховатости стенок, ложатся на прямую линию I, описываемую уравнением Пуазейля
.
Следовательно, опытные данные позволяют заключить, что при ламинарном движении шероховатость стенок не оказывает влияние на сопротивление (коэффициент трения). Потери напора здесь пропорциональны скорости. Действительно, подставляя выражение для коэффициента трения
в формулу Дарси-Вейсбаха
,
получим
,
где - средняя скорость,
.
2 – переходная зона. В ней ламинарный режим переходит в турбулентный (2300 ≤ Re ≤ 3000). Коэффициент λ здесь быстро возрастает с увеличением числа Рейнольдса, оставаясь одинаковым для различных шероховатостей.
3 - зона гидравлически гладких труб для турбулентного режима. Для труб с высокими значениями относительной гладкости (r0/>500). Опытные точки для чисел Рейнольдса 400<Re<80 r0/ располагаются вдоль наклонной прямой II. Эта прямая известна как прямая Блазиуса для «гладких труб». На ней коэффициент трения хорошо описывается эмпирической формулой Блазиуса
.
Потери напора здесь определяются по формуле
.
4 - зона шероховатых труб (r0/<500) или, так называемая, доквадратичная зона при турбулентном режиме (80 r0/<Re< 1000r0/). В этой зоне отклонение экспериментальных точек от прямой II зависит от величины шероховатости (относительной гладкости). И это отклонение наступает тем раньше, чем меньше относительная гладкость. При этом коэффициент стремится к некоторому пределу (разному для труб с различной шероховатостью), оставаясь затем постоянным при увеличении числа Re.
5 - зона вполне шероховатых труб (r0/=15 и r0/=30). Гидравлические потери в этой области пропорциональны квадрату скорости (квадратичный закон сопротивления). Для кривых ro/=15 и ro/=30 ламинарная пленка даже при небольших значениях Re не перекрывает выступов шероховатости и эти кривые с увеличением числа Re только пересекают линию II для гладких труб. Следовательно, в данном случае коэффициент совершенно на подчиняется закону для гладких труб. С увеличением числа Re он постепенно возрастает и при lg Re = 4,6 для первой кривой (ro/=15) или lg Re =5,0 для второй кривой (ro/=30) становится практически независимым от Re.
Коэффициент для этой зоны может быть определен по формуле Б.Л. Шифринсона
,
где э – эквивалентная шероховатость (см. ниже).
Полученным результатам можно дать следующее объяснение. До тех пор, пока выступы шероховатости полностью погружены в ламинарный пограничный слой ( л), для величины гидравлических сопротивлений нет разницы между гладкими и шероховатыми поверхностями стенок. Коэффициент здесь зависит только от числа Рейнольдса и определяется как для гладких труб (1-3-я зоны).
В случае, когда выступы шероховатости выходят за пределы пограничного слоя (л), ламинарное течение нарушается и выступы шероховатости оказываются в области турбулентного течения жидкости.
С увеличением числа Рейнольдса толщина пограничного слоя уменьшается и в случае, когда величина оказывается сопоставимой с величиной л, коэффициент зависит не только от числа Рейнольдса, но и от шероховатости стенок (4-я зона).
Если число Рейнольдса достаточно велико и значительно больше л, то коэффициент зависит только от шероховатости и не зависит от числа Рейнольдса (5-я зона).
Опыты А.П.Зегжда для прямоугольных каналов позволили получить график, который близок к графику Никурадзе не только качественно, но и количественно, если результаты сопоставлять при одинаковых гидравлических радиусах.
Опыты, проведенные в промышленных трубопроводах с естественной шероховатостью, показали, что оценка только по высоте выступов шероховатости недостаточна, большую роль имеет также характер шероховатости: форма выступов, их расположение и прочее. Поэтому было введено понятие об эквивалентной шероховатости э= φ (φ 1), где φ - зависит от характера шероховатости. Под эквивалентной шероховатостью э понимают такую зернистую шероховатость, при которой сопротивление оказывается таким же, как и при действительной шероховатости. Величина эквивалентной шероховатости э указывается в гидравлических справочниках в зависимости от типа трубопровода.