.
4.8. ТУРБУЛЕНТНОЕ РАВНОМЕРНОЕ
ДВИЖЕНИЕ ЖИДКОСТИ В ТРУБАХ
В турбулентном потоке скорость движения частиц жидкости непосредственно у стенки трубы равна нулю. За счет вязкости жидкости на стенке трубы образуется тонкий заторможенный слой, который называется пограничным слоем, скорость на границе которого составляет 98-99% от скорости потока.
Пограничный
слой состоит из вязкого подслоя
и переходного слоя, находящегося между
турбулентным ядром потока и подслоем (рис. 4.10).
Рис. 4.10. Пограничный слой: 1 - вязкостный подслой; 2 - переходный слой; 3 - ядро
Внутри пограничного слоя может существовать как турбулентное, так и ламинарное движение в зависимости от числа Рейнольдса
, (4.88)
где -
скорость на внешней границе пограничного слоя.
В
турбулентном ядре в результате интенсивного перемешивания и пульсаций скоростей
частиц жидкости распределение скоростей по живому сечению потока более ровное
по сравнению с ламинарным режимом движения. Движение в ядре практически не
зависит от вязкости, градиент скорости близок
к нулю, и можно полагать, что оно практически соответствует движению идеальной
жидкости. Как показали опыты, отношение средней скорости V к максимальной
по центру трубы находится в пределах
. Отношение скоростей возрастает с
увеличением числа Рейнольдса (
), при этом на отношение
влияет шероховатость стенок трубы (рис. 4.11).
Теоретически
и подверждено результатами опытов в трубах, что местная скорость соответствует средней скорости V в точке, находящейся на расстоянии
от стенки трубы.
Рис. 4.11. Распределение скоростей в круглой трубе:
1 - эпюра скоростей при турбулентном движении;
2 - эпюра скоростей при ламинарном движении
Следует
отметить, что коэффициент неравномерности распределения скоростей в трубе при
турбулентном движении , тогда как при ламинарном
движении
. При решении различных гидравлических
задач в случае турбулентного режима движения принимается
.
Толщина подслоя, полученная теоретическим путем,
.
Таким
образом, толщина вязкостного подслоя зависит от диаметра, числа Рейнольдса и
коэффициента гидравлического сопротивления .
Проведенные исследования показали, что шероховатость внутренней поверхности труб влияет на распределение скоростей в живом сечении потока жидкости и на потери напора по длине.
Трубы изготавливаются из различных материалов (сталь, чугун, бетон, стекло, полимеры и т.д.). Способ изготовления и вид материала влияют на шероховатость трубы. Шероховатость определяется высотой выступов и неровностей на поверхности стенок труб. С течением времени на поверхности труб появляются ржавчина, коррозия, отложение солей и осадков, что также будет влиять на шероховатость.
Характеристикой,
выражающей шероховатость, служит средняя высота выступов и неровностей. Такая
средняя высота, выраженная в единицах длины, называется абсолютной
шероховатостью и обозначается буквой . Фактически
шероховатость поверхности неоднородна по длине труб. На распределение скоростей
и потери напора влияет диаметр трубы при одинаковой абсолютной шероховатости.
Поэтому для определения этого влияния шероховатости и диаметра d введено понятие относительной
шероховатости трубы
(рис. 4.12).
Как
показали опыты с трубами, на потери напора влияет не только средняя высота
выступов , но и степень, форма, густота и характер
их расположения. Для упрощения влияния этих обстоятельств было введено
представление об эквивалентной шероховатости
. Эквивалентной
шероховатостью называется высота выступов песчинок одинакового размера, при
которой коэффициент гидравлического трения
соответствует
действительной естественной шероховатости трубы. Относительная эквивалентная
шероховатость -
.
На
основании вышеизложенного можно считать, что при турбулентном движении потери
напора по длине могут зависеть как от числа Рейнольдса Re, так и от относительной эквивалентной шероховатости .
Коэффициент гидравлического трения можно выразить в функциональном виде:
Уважаемый посетитель!
Чтобы распечатать файл, скачайте его (в формате Word).
Ссылка на скачивание - внизу страницы.