Физическая сущность потерь давления на трение при ламинарном и турбулентном режимах течения рассмотрена ранее. Для их расчета используется формула (8.1), в которой величина гидравлического, сопротивления для случая потерь на трение зависит от длины трубопровода L, его гидравлического диаметра d и коэффициента трения , т. е.
. (8.3)
Введение понятия гидравлического диаметра позволяет использовать приведенное выражение для каналов и труб любого сечения — круглого, квадратного, треугольного, кольцевого и пр. Учет формы сечения трубопровода производится расчетом по формуле: , где S —площадь сечения канала, а П — его смоченный периметр. Для круглых труб гидравлический диаметр совпадает с геометрическим диаметром. Трубы квадратного сечения имеют d, равный стороне квадрата. Гидравлический диаметр трубы кольцевого сечения зависит от значений наружного и внутреннего диаметров кольца. Для трубопровода такой формы .
Главная сложность расчета потерь на трение связана с выбором . В общем случае коэффициент трения определяется по величине числа Рейнольдса и шероховатости стенок трубопровода . Последняя может быть идеальной и технической. В обоих случаях она оценивается отношением высоты бугорков к диаметру трубопровода d. При идеальной шероховатости высоты всех бугорков одинаковы и по длине трубопровода и по его периметру. Для реальных труб и закрытых каналов подобное условие не соблюдается. Трубы с нулевой шероховатостью можно назвать гладкими.
Для круглых труб и ламинарного режима (Re < 2300)
. (8.5)
Эта формула, носящая имя Пуазейля, предполагает строго параболическое распределение скоростей. Ее теоретический вывод (см. гл. 4) для условий течения в круглой трубе постоянног8о диаметра хорошо согласуется с экспериментом. Для других случаев поперечного сечения канала может быть использована более общая формула
, (8.6)
в которой коэффициенты и характеризуют форму потока и особенности поля скоростей. Для круглых труб и переходного режима (Re £ 105) применима формула Блазиуса
. (8.7)
Для таких же труб в турбулентном режиме используется формула Никурадзе:
. (8.8)
Формулы (8.5), (8.7) и (8.8) справедливы для гладких труб и стабилизированного потока. Им присвоены соответственно имена Пуазейля, Блазиуса и Никурадзе в честь заслуг этих ученых в развитии соответствующих разделов гидрогазодинамики. Указанные формулы дают представление о минимально возможных коэффициентах трения.
Для труб с идеальной шероховатостью сведения о значениях коэффициента трения можно получить из анализа опытных данных, приведенных на рис. 8.1, известном как диаграмма Никурадзе. Прежде всего, следует подчеркнуть, что в области ламинарного режима шероховатые трубы ведут себя как гладкие, так как срывов, завихрений при движении потока не происходит из-за значительного влияния сил вязкости. Для них . Для II режима (переходного) величина коэффициента трения зависит от числа Re и от значения относительной шероховатости, т. е. . Объяснение приведенных на рис. 8.1 зависимостей может быть получено из сопоставления высот бугорков шероховатости и толщины пограничного слоя. Пока шероховатые трубы становятся подобными гладким, с ростом Re уменьшается толщина пограничного слоя, вершины бугорков обнажаются, при этом создаются условия дополнительного образования вихрей. Чем выше бугорки, тем раньше происходит отрыв экспериментальной кривой от линии Блазиуса. Для режима III коэффициент трения определяется только значением относительной шероховатости, т. е. он не зависит от числа Рейнольдса . Такая зависимость возможна при высокой турбулентности потока, когда дополнительное вихреобразование у бугорков практически не меняет уровня турбулентности.
Рис. 8.1. Зависимость коэффициента трения от характеристик режима движения и шероховатости для труб с идеальной шероховатостью
Если подставить значения в уравнение (8.4) и далее в (8.1), то после преобразования окажется, что потери на трение в области ламинарного режима пропорциональны скорости в первой степени, а в области развитого турбулентного режима, автомодельного — пропорциональны квадрату скорости. Поэтому этот режим (III на рис. 8.1) получил название квадратичного.
Значения коэффициентов трения для труб с неравномерной шероховатостью могут быть найдены только по экспериментальным данным, обработанным по типу диаграммы Никурадзе. Пример такой диаграммы, построенной Л. А. Самолейко, приведен на рис. 40, а значения шероховатости различных труб — в табл. 8.1.
В металлургической практике движение газов по трубам может происходить в условиях изменения температуры газов и давления. Все это влияет на величину потерь на трение между двумя рассматриваемыми сечениями. В первом приближении учесть влияние этих факторов можно, допустив, что и температура, и давление по трубопроводу или его отдельному участку изменяются линейно. С помощью уравнения Менделеева - Клапейрона можно получить соотношения для вычисления скорости потока и плотности газа . Для любых средних температур и давлений ; , в которых индекс ноль указывает на то, что соответствующие величины должны быть определены при нормальных условиях. Подстановка этих соотношений в расчетную формулу (8.1) дает
, (8.9)
из анализа которой следует, что при транспорте газа под повышенным давлением потери на трение уменьшаются. Этим выводом пользуются при организации дальнего газоснабжения.
Рис. 8.2. Зависимость коэффициента трения от характеристик режима течения и шероховатости для труб с неравномерной шероховатостью
При значительных потерях энергии на трение, например, при подаче воздуха или пара для распыливания жидкого топлива в форсунках высокого давления среднее давление в трубопроводе будет , где и характеризуют давление газа в начале и в конце трубопровода или его участке.
Таблица 8.1. Значения шероховатости различных труб
Разновидность труб | d, мм | Разновидность труб | d, мм | |
Стальные трубы: цельнотянутые: новые после эксплуатации сварные: новые после эксплуатации | 0,02 ¸ 0,07 0,20 ¸ 0,50 0,04 ¸ 0,10 0,10 ¸ 0,15 | Трубы: из меди, латуни, свинца, стекла из алюминия | 0,0015 ¸ 0,01 0,015 ¸ 0,06 | |
Бетонные трубы: средняя шероховатость грубая шероховатость | 1,5 3,0 | |||
Асбоцементные трубы: новые после эксплуатации | 0,05 ¸ 0,1 0,60 | |||
Теплофикационные трубопроводы: с незначительной коррозией с умеренной коррозией | 0,10 ¸ 0,20 0,30 ¸ 0,70 | |||
Железобетонные трубы | 0,5 | |||
Магистральные газопроводы после эксплуатации: одного года многих лет | 0,12 0,50 | Кирпичная кладка: покрытая глазурью, шлаком на цементном растворе | 0,45 ¸ 30,0 0,8 ¸ 6,0 | |
Чугунные трубы: | ||||
новые | 0,25 ¸ 0,42 | |||
бывшие в эксплуатации | 0,50 ¸1,50 | |||
сильно корродированные | до 3,0 |
Очевидно, что в условиях движения газа под повышенным давлением доля динамического давления по отношению к полному составляет незначительную величину, которой можно пренебречь. Тогда можно принять, что величина потерь на трение
,
Умножая обе части на сумму и преобразуя, получим:
Вычитая из обеих частей , получим формулу, по которой можно определить потери на трение, располагая данными о необходимом давлении в конце трубопровода (у форсунки, горелки) высокого давления
. (8.10)
Если же известно начальное давление газа, то формула для расчета потерь на трение приобретает вид:
. (8.11)
Используя результаты расчетов по этим формулам, находят либо начальное, либо конечное давление газа, которое обеспечивало бы нормальную работу соответствующих устройств.
Для расчета потерь на трение первоначально определяют принадлежность к режиму течения (число Re), и, если требуется, то характеристики шероховатости и, затем по графикам (рис. 8.1 и 8.2) отыскивают коэффициент трения, величину которого и используют в оценке по соответствующим формулам.