Гидро сопротивления в трубрпроводах

 ГИДРАВЛИЧЕСКИЕ  СОПРОТИВЛЕНИЯ В ТРУБОПРОВОДАХ

Потери энергии (уменьшение гидравлического напора) можно наблюдать  в движущейся жидкости не только на сравнительно длинных участках, но и на коротких. В одних случаях  потери напора распределяются (иногда равномерно) по длине трубопровода - это линейные потери; в других - они сосредоточены на очень коротких участках, длиной которых можно пренебречь, - на так называемых местных гидравлических сопротивлениях: вентили, всевозможные закругления, сужения, расширения и  т.д., короче всюду, где поток претерпевает деформацию. Источником потерь во всех случаях является вязкость жидкости.  

Следует заметить, что  потери напора и по длине и в  местных гидравлических сопротивлениях существенным образом зависят от так называемого режима движения жидкости.  

4.1. Режимы движения  жидкости

При наблюдении за движением  жидкости в трубах и каналах, можно  заметить, что в одном случае жидкость сохраняет определенный строй своих  частиц, а в других - перемещаются бессистемно. Однако исчерпывающие  опыты по этому вопросу были проведены  Рейнольдсом в 1883 г. На рис. изображена установка, аналогичная той, на которой Рейнольдс производил свои опыты.

 
 

Рис. Схема установки Рейнольдса 

Установка состоит  из резервуара А с водой, от которого отходит стеклянная труба В с краном С на конце, и сосуда D с водным раствором краски, которая может по трубке вводиться тонкой струйкой внутрь стеклянной трубы В.

Первый случай движения жидкости. Если немного приоткрыть кран С и дать возможность воде протекать в трубе с небольшой скоростью, а затем с помощью крана Е впустить краску в поток воды, то увидим, что введенная в трубу краска не будет перемешиваться с потоком воды. Струйка краски будет отчетливо видимой вдоль всей стеклянной трубы, что указывает на слоистый характер течения жидкости и на отсутствие перемешивания. Если при этом, если к трубе подсоединить пьезометр или трубку Пито, то они покажут неизменность давления и скорости по времени. Такой режим движения называется ламинарный.

  Второй случай  движения жидкости. При постепенном  увеличении скорости течения  воды в трубе путем открытия  крана С картина течения вначале не меняется, но затем при определенной скорости течения наступает быстрое ее изменение. Струйка краски по выходе из трубки начинает колебаться, затем размывается и перемешивается с потоком воды, причем становятся заметными вихреобразования и вращательное движение жидкости. Пьезометр и трубка Пито при этом покажут непрерывные пульсации давления и скорости в потоке воды. Такое течение называется турбулентным.

Если уменьшить  скорость потока, то восстановится  ламинарное течение. Итак, ламинарным называется слоистое течение без  перемешивания частиц жидкости и  без пульсации скорости и давления. При ламинарном течении жидкости в прямой трубе постоянного сечения  все линии тока направлены параллельно  оси трубы, при этом отсутствуют  поперечные перемещения частиц жидкости. 

   Турбулентным  называется течение, сопровождающееся  интенсивным перемешиванием жидкости  с пульсациями скоростей и  давлений. Наряду с основным продольным  перемещением жидкости наблюдаются  поперечные перемещения и вращательные  движения отдельных объемов жидкости. Переход от ламинарного режима  к турбулентному наблюдается при определенной скорости движения жидкости. Эта скорость называется критической υ кр.  

Значение этой скорости прямо пропорционально кинематической вязкости жидкости и обратно пропорционально  диаметру трубы.

                                                                                            

 где ν - кинематическая вязкость;

k - безразмерный коэффициент;

d - внутренний диаметр трубы. 

Входящий в эту  формулу безразмерный коэффициент  k, одинаков для всех жидкостей и газов, а также для любых диаметров труб. Этот коэффициент называется критическим числом Рейнольдса Reкр и определяется следующим образом:

                                                                                 
 

Как показывает опыт, для труб круглого сечения Reкр примерно равно 2300. Таким образом, критерий подобия Рейнольдса позволяет судить о режиме течения жидкости в трубе. При Re < Reкр течение является ламинарным, а при Re > Reкр течение является турбулентным. Точнее говоря, вполне развитое турбулентное течение в трубах устанавливается лишь при Re примерно равно 4000, а при Re = 2300…4000 имеет место переходная, критическая область. Режим движения жидкости напрямую влияет на степень гидравлического сопротивления трубопроводов.  

Кавитация 

В некоторых случаях  при движении жидкости в закрытых руслах происходит явление, связанное  с изменением агрегатного состояния  жидкости, т.е. превращение ее в пар  с выделением из жидкости растворенных в ней газов. Наглядно это явление  можно продемонстрировать на простом  устройстве, состоящим из трубы, на отдельном участке которой установлена  прозрачная трубка Вентури (рис.4.2). Вода под давлением движется от сечения 1-1 через сечение 2-2 к сечению 3-3. Как видно из рисунка, сечение 2-2 имеет меньший диаметр. Скорость течения жидкости в трубе можно изменять, например, установленным после сечения 3-3 краном.

 
 

Рис  Схема трубки для демонстрации кавитации

При небольшой скорости никаких видимых изменений в  движении жидкости не происходит. При  увеличении скорости движения жидкости в узком сечении трубки Вентури 2-2 появляется отчетливая зона с образованием пузырьков газа. Образуется область местного кипения, т.е. образование пара с выделением растворенного в воде газа. Далее при подходе жидкости к сечению 3-3 это явление исчезает.

Это явление обусловлено  следующим. Известно, что при движении жидкой или газообразной среды, давление в ней падает. Причем, чем выше скорость движения среды, тем давление в ней ниже. Поэтому, при течении  жидкости через местное сужение 2-2, согласно уравнению неразрывности  течений, увеличивается скорость с  одновременным падением давления в  этом месте. Если абсолютное давление при этом достигает значения равного  давлению насыщенных паров жидкости при данной температуре или значения равного давлению, при котором  начинается выделение из нее растворимых  газов, то в данном месте потока наблюдается  интенсивное парообразование (кипение) и выделение газов. Такое явление  называется кавитацией.

При дальнейшем движении жидкости к сечению 3-3, пузырьки исчезают, т.е. происходит резкое уменьшение их размеров. В то время, когда пузырек исчезает (схлопывается), в точке его схлопывания происходит резкое увеличение давления, которое передается на соседние объемы жидкости и через них на стенки трубопровода. Таким образом, от таких многочисленных местных повышений давлений (гидроударов), возникает вибрация. Таким образом, кавитация - это местное нарушение сплошности течения с образованием паровых и газовых пузырей (каверн), обусловленное местным падением давления в потоке.

Кавитация в обычных  случаях является нежелательным  явлением, и ее не следует допускать  в трубопроводах и других элементах  гидросистем. Кавитация возникает в кранах, вентилях, задвижках, жиклерах и т.д.

Кавитация может  иметь место в гидромашинах (насосах и гидротурбинах), снижая при этом их коэффициент полезного действия, а при длительном воздействии кавитации происходит разрушение деталей, подверженных вибрации. Кроме этого разрушаются стенки трубопроводов, уменьшается их пропускная способность вследствие уменьшения живого сечения трубы.  

Потери напора при  ламинарном течении жидкости 

Как показывают исследования, при ламинарном течении жидкости в круглой трубе максимальная скорость находится на оси трубы. У стенок трубы скорость равна  нулю, т.к. частицы жидкости покрывают  внутреннюю поверхность трубопровода тонким неподвижным слоем. От стенок трубы к ее оси скорости нарастаю плавно. График распределения скоростей  по поперечному сечению потока представляет собой параболоид вращения, а сечение  параболоида осевой плоскостью - квадратичную параболу.  

 

Рис. Схема для рассмотрения ламинарного потока 

Уравнение, связывающее  переменные υ и r, имеет следующий вид:  

                                                                                              

где P1 и P2 - давления соответственно в сечениях 1 и 2.  

У стенок трубы величина r = R, , значит скорость υ = 0, а при r = 0 (на оси потока) скорость будет максимальной

                                                 

Теперь определим  расход жидкости при ламинарном течении  в круглой трубе. Так как эпюра  распределения скоростей в круглой  трубе имеет вид параболоида  вращения с максимальным значением  скорости в центре трубы, то расход жидкости численно равен объему этого  параболоида. Определим этот объем.  

Максимальная скорость дает высоту параболоида 

                                                             

Как известно из геометрии, объем параболоида высотой h и площадью ρR2 равен

                                                                              

а в нашем случае

 

Если вместо R подставить диаметр трубы d, то формула (4.4) приобретет вид  

Расход в трубе  можно выразить через среднюю  скорость:

 

откуда 

                                                                           

Для определения  потерь напора при ламинарном течении  жидкости в круглой трубе рассмотрим участок трубы длиной l, по которому поток течет в условиях ламинарного режима (рис.4.3).

Потеря давления в трубопроводе будет равна 

                                                                             

Если в формуле  динамический коэффициент вязкости μ заменить через кинематический коэффициент вязкости υ и плотность ρ ( μ = υ ρ ) и разделить обе части равенства на объемный вес жидкости γ = ρ g, то получим:

                                                                               

Так как левая  часть полученного равенства  равна потерям напора hпот в трубе постоянного диаметра, то окончательно это равенство примет вид:  

                                                                                        

Уравнение может  быть преобразовано в универсальную  формулу Вейсбаха-Дарси, которая окончательно записывается так:  

                                                                                

где λ - коэффициент гидравлического трения, который для ламинарного потока вычисляется по выражению: Однако при ламинарном режиме для определения коэффициента гидравлического трения λ Т.М. Башта рекомендует при Re < 2300 применять формулу

                                                                                     

Потери напора при  турбулентном течении жидкости 

Как было указано  в п.4.1, для турбулентного течения  характерно перемешивание жидкости, пульсации скоростей и давлений. Если с помощью особо чувствительного  прибора-самописца измерять пульсации, например, скорости по времени в  фиксированной точке потока, то получимкартину, подобную показанной на рис.4.4. Скорость беспорядочно колеблется околонекоторого осредненного по времени значения υ оср, которое данном случае остается постоянным.

Характер линий  тока в трубе в данный момент времени  отличается большим разнообразием  

   

 Пульсация скорости в турбулентном потоке. Характер линий тока в турбулентном потоке

При турбулентном режиме движения жидкости в трубах эпюра  распределения скоростей имеет  вид, показанный на рис. 4.6. В тонком пристенном слое толщиной δ жидкость течет в ламинарном режиме, а остальные слои текут в турбулентном режиме, и называются турбулентным ядром. Таким образом, строго говоря, турбулентного движения в чистом виде не существует. Оно сопровождается ламинарным движением у стенок, хотя слой δ с ламинарным режимом весьма мал по сравнению с турбулентным ядром.

                            

Рис. Модель турбулентного режима движения жидкости

Основной расчетной  формулой для потерь напора при турбулентном течении жидкости в круглых трубах является уже приводившаяся выше эмпирическая формула, называемая формулой Вейсбаха-Дарси и имеющая следующий вид: