Виды гидравлических сопротивлений. Режимы движения вязкой жидкости. Сопротивления при относительном движении твердого тела и жидкости, страница 15

Коэффициент , показывает количество скоростного напора, затрачиваемого на преодоление какого-либо местного сопротивления. В местном сопротивлении потери механической энергии при движении потока через него превращаются в тепловую энергию.

Коэффициент местных сопротивлений зависит:

·  от формы и геометрических размеров;

·  шероховатости внутренней поверхности сопротивления;

·  режима движения.

В общем виде коэффициент , можно представить в следующем виде:

,                                                    (4.114)

где В - безразмерный коэффициент, зависящий от вида местного сопротивления при ламинарной и переходной области сопротивления; Re - число Рейнольдса;  - коэффициент местных сопротивлений для квадратичной области, т.е. не зависящий от Re.

Для квадратичной области сопротивления  Обычно при гидравлических расчетах принимается .

Коэффициент , находится опытным путем, а значения  для различных местных сопротивлений, В приводятся в гидравлических справочниках.

Местные потери напора можно выразить в виде эквивалентной длины трубы . Местные потери напора принимаются равными потерям напора по длине, :

; ,

тогда

 и .                                         (4.115)

Потери напора по длине можно представить через коэффициент сопротивления по длине

.                                                        (4.116)

♦ Пример 4.3

Определить эквивалентную длину местного сопротивления в трубопроводе диаметром d=100 мм из новых стальных труб. Коэффициент местного сопротивления вентиля . Расход воды Q=16 л/с при t=20 °С.

Гидравлические потери по длине трубопровода согласно формуле Вейсбаха-Дарси

Местные потери напора в вентиле

Потери  равны , тогда эквивалентная длина

Коэффициент гидравлического трения . Эквивалентную шероховатость новой стальной трубы принимаем  мм (см. табл. 4.1).

Средняя скорость в трубе

Кинематическая вязкость воды (t=20 °С)  м²/с.

Число Рейнольдса

.

Определим область сопротивления движения воды. Отношение

.

 - область доквадратичного сопротивления.

.

Для данной области сопротивления коэффициент гидравлического трения  вычисляется по формуле Альтшуля:

.

Эквивалентная длина

 м.

4.12. ВНЕЗАПНОЕ И ПОСТЕПЕННОЕ РАСШИРЕНИЕ ТРУБЫ

Внезапное расширение

В случае внезапного расширения потока жидкости местные потери напора и коэффициент сопротивления можно определить теоретически.

Рассмотрим случай, когда трубопровод малого поперечного сечения диаметром  резко переходит в большое сечение диаметром . Ось х потока движущейся жидкости по горизонтальному трубопроводу соответствует ее оси. Выделим часть потока между сечениями 1-1 и 2-2 (рис. 4.17). Первое сечение находится на границе расширения трубопровода, и в этом сечении движение будем считать плавно изменяющимся. Второе сечение располагается на некотором расстоянии от первого, в котором не происходит возмущение движения в результате деформации. Эпюра скоростей в сечении 2-2 выравнивается, а поток жидкости будет также плавно изменяющимся.

Поток жидкости, выходящий из малого сечения, поступает в виде транзитной струи в большее сечение трубопровода. В месте внезапного расширения происходит отрыв потока от стенки. В месте отрыва возникает вихревая, водоворотная область, имеющая кольцевую форму. Водоворотная область не участвует в поступательном движении потока. Между водоворотной областью и струей возникает поверхность раздела. Поверхность раздела, в которой происходит интенсивное перемешивание частиц в результате пульсации и возникновение вихрей, неустойчива.

Рис. 4.17. Внезапное расширение

В результате вихреобразования на границе поверхности раздела происходит интенсивный обмен частицами жидкости с транзитной струей. Струя на длине водоворотной области приобретает вращательно-поступательное движение, т.е. появляется окружная составляющая скорости . За водоворотной областью вращательное движение прекращается.

Местные гидравлические потери напора возникают между выбранными двумя сечениями в результате отрыва потока от стенок с образованием вихреобразования в виде водоворотной области.