Местные гидравлические сопротивления

В пункте (5.4) указывалось, что гидравлические потери энергии делятся на потери по длине и местные потери.

Потери на трение по длине в прямых трубах постоянного сечения рассмотрены для ламинарного (см. п. 6.4.1) и турбулентного (см. п. 6.5.2) режимов течения. Показано, что эти потери обусловлены силами вязкостного трения.

Местными же сопротивлениями называют такие элементы трубопроводов, в которых потеря энергии происходит за счет деформации потока (изменение размеров и конфигурации русла, отрыв транзитного потока от стенок русла и вихреобразование).

В п.5.4 были приведены примеры типичных местных сопротивлений и дана общая формула для расчета потерь на местном сопротивлении - формула Вейсбаха (5.20):

,

где ξ - коэффициент потерь.

При турбулентном режиме движения жидкости коэффициент потерь определяется в основном формой местных сопротивлений и очень мало изменяется с изменением абсолютных размеров русла, скорости потока и вязкости жидкости, т.е. с изменением числа Рейнольдса.

Поэтому принимают обычно, что ξ не зависит от Re, что означает квадратический закон сопротивления.

Для большинства местных сопротивлений, даже простейших, получить теоретически расчетные зависимости пока не удается. Поэтому для расчетов используются в основном экспериментальные данные в виде эмпирических формул, таблиц и графиков, которые приводятся в справочной литературе.

В данном параграфе в качестве примера рассмотрено только одно местное гидравлическое сопротивление - внезапное расширение, для которого при турбулентном режиме течения потерю напора можно достаточно точно определить теоретически.

При внезапном расширении русла (трубы) (рис.6.19) поток срывается с кромки и расширяется не внезапно, как русло, а постепенно. При­чиной этого является действие сил инерции.

Рис.6.19.Внезапное расширение трубы на расширении

В кольцевом пространстве между потоком и стенкой трубы образуются вихри, которые и являются причиной потерь энергии. Между вихрем и потоком происходит постоянный обмен частицами жидкости. В результате завихренные массы жидкости с границы транзитной струи проникают внутрь потока, где вращение постепенно гасится трением. Таким образом, потеря энергии происходит за счет сил трения, но только косвенно через вихреобразование, а не как по длине трубы.

Рассмотрим два сечения горизонтального потока: 1-1 - в плоскости расширения трубы и 2-2 - в том месте, где поток, расширившись, зай­мет все сечение большой трубы. Поскольку между этими сечениями поток расширяется, то скорость его уменьшается, а давление возрастает.

Поэтому второй пьезометр показывает напор больший, чем в первом пьезометре на величину DН. Однако, если бы потерь напора на участке между сечениями не было, то второй пьезометр показал бы напор еще больший на h_M. Величина h_M и есть местная потеря напора