Местные гидравлические сопротивления

 

К местным сопротивлениям относят короткие участки труб(каналов),в которыхпроисходит изменение скоростей движения жидкости по величине и направлению. Простейшиеместные сопротивления можно условно разделить на сопротивления, вызванные изменением сечения потока (расширение, сужение), и сопротивления, связанные с изменением направления движения жидкости. Но большинство местных сопротивлений являются комбинациями указанных случаев.

Местные гидравлические сопротивления оказывают существенное влияние на работу гидросистем с турбулентными потоками жидкости. В гидросистемах с ламинарными потоками в большинстве случаев эти потери напора малы по сравнению с потерями на трение в трубах.

Основной причиной гидравлических потерь напора в большинстве местных сопротивлений является вихреобразование, которые пропорциональны квадрату скорости жидкости, и для их определения используется формула Вейсбаха.

В машиностроительных гидросистемах с турбулентными потоками жидкости могут встретиться местные сопротивления, внутри которых имеют место ламинарные течения. Потери в таких сопротивлениях пропорциональны скорости (и расходу) в первой степени, т. е. носят линейный ха-рактер.

При вычислении потерь напора по формуле Вейсбаха наибольшей трудностью является определение безразмерного коэффициента местного сопротивления ζ. Значений этого коэффициента получено в результате экспериментальных исследований.

Для внезапного расширения потока (рис. а) имеется теоретически полученная формула длякоэффициента ζ _р, который однозначно определяется соотношением площадей до расширения (S₁) и после него (S₂):

 

 

18

Для внезапного сужения потока (рис. б) используется эмпирическая формула,предложенная И.Е. Идельчиком, которая также учитывает соотношение площадей до расширения (S₁) и после него (S₂):

 

 

Для внезапного сужения потока тоже необходимо отметить частный случай, когда жидкость вытекает из бака по трубе, т. е. когда площадь сечения потока в трубе S₂ значительно меньше таковой в баке S₁. Тогда ζ _с = 0,5.

 

Постепенное расширение потока (рис. в) и постепенное сужение потока (рис. г). Расширяющееся русло в гидравлике принято называть диффузором, а сужающееся — конфузором. Если конфузор выполнен с плавными переходами то его называют соплом.

 

Значения коэффициентов для постепенного расширения ζ_п.р. и постепенного сужения ζ _п._с находят с введением поправочных коэффициентов ζ _пр = k _р ζ _р и ζ

пс = k с ζ с

Поправочные коэффициенты k_p и k_c имеютчисленные значения меньше единицы, зависят от углов α, а также от плавности переходов в сечениях. Ихзначения приводятся в справочниках.

 

Местными сопротивлениями являются также повороты потоков. Они могут быть с внезапным пово-

 

ротом трубы (рис. д) или с плавным поворотом (рис. е).

 

Внезапный поворот трубы (или колено) вызывает значительные вихреобразования (рис. д) и значительные потери напора

 

. Коэффициент сопротивления колена ζ_к определяется углом поворота δ (определяется по справочнику).

 

Плавный поворот трубы (или отвод) снижает вихреобразование и потери напора. Коэффициент ζ_от зависит от угла поворота δ и от относительного радиуса поворота R/d (рис. е). Для определения коэффициента ζ _от существуют различные эмпирические зависимости, которые приводятся в справочниках.

 

Два или более гидравлических сопротивления, установленных в одной трубе, могут оказывать взаимное влияние, если расстояние между ними менее 40d (d —диаметр трубы).

 

5. Местные сопротивления при больших и малых числах Рейнольдса.

 

В канале жиклера существует ламинарное течение. Потери напора в жиклере будут складываться из потерь на трение в канале и потерь на внезапное расширение потока при выходе из этого канала. Причем первый вид изуказанных потерь будет пропорционален скорости в первой степени (так как в канале ламинарное течение), а второй — квадрату скорости (потери на вихреобразование).

 

 

Формула для коэффициента сопротивления жиклера при двух видах

потерь

 

Это общее выражение для коэффициента любого местного сопротивления. Первое слагаемое учитывает линейные потери, а второе — квадратичные. Соотношение между первым и вторымслагаемыми зависит от геометрических размеров каждого конкретного сопротивления.

 

В большинстве случаев один из видов потерь существенно превышает второй, поэтому при проведении реальных расчетов одним из слагаемых формулы пренебрегают.

 

19

Если квадратичные потери превышают линейные, то пренебрегают первым слагаемым и тогда

z = В = const.

 

Если квадратичные потери существенно меньше линейных потерь, то пренебрегают вторым слагаемым и тогда ζ = A/Re = var.

 

Сущность метода эквивалентной длины заключается в том, что для местного сопротивления задаются эквивалентная длина и условный диаметр (или условная площадь сечения). Причем их значения выбираются такими, что потери напора в условном трубопроводе равны потерям в данном гидравлическом сопротивлении. Тогда определение потерь в этом местном сопротивлении проводят по расчетным зависимостям для трубопровода.

 

При расчетах напорных трубопроводов основной задачей является либо определение пропускной способности (расхода), либо потери напора на том или ином участке, равно как и на всей длине, либо диаметра трубопровода на заданных расходе и потерях напора.

 

В практике трубопроводы делятся на короткие и длинные. К первым относятся все трубопроводы, в которых местные потери напора превышают 5…10% потерь напора по длине. При расчетах таких трубопроводов обязательно учитывают потери напора в местных сопротивлениях. К ним относят, к примеру, маслопроводы объемных передач.

 

Ко вторым относятся трубопроводы, в которых местные потери меньше 5…10% потерь напора по длине. Их расчет ведется без учета местных потерь. К таким трубопроводам относятся, например, магистральные водоводы, нефтепроводы.

 

Учитывая гидравлическую схему работы длинных трубопроводов, их можно разделить также на простые и сложные. Простыми называются последовательно соединенные трубопроводы одного или различных сечений, не имеющих никаких ответвлений. К сложным трубопроводам относятся системы труб с одним или несколькими ответвлениями, параллельными ветвями и т.д. К сложным относятся и так называемые кольцевые трубопроводы.

 

Потери по длине.

Формула Дарси для оценки потерь напора на трение h_тр в трубе длиной l и диаметром d при средней скорости v:

 

 

Зависимость для вычисления λ (коэффициент Дарси), при ламинарном режиме течения:

 

Зависимость потерь напора на трение от расхода жидкости (важно при исследовании работыгидравлических машиностроительных систем с ламинарными потоками).

 

 

Внеаудиторная самостоятельная работа: