Общие сведения

Полная удельная энергия движущейся жидкости расходуется на преодоление сил трения, возникающих между соседними слоями жидкости и между стенками трубопровода и пограничным слоем жидкости, а также на преодоление местных сопротивлений. Таким образом, часть механической энергии движущейся жидкости переходит в тепловую и рассеивается в пространстве. Этот процесс необратим. Потери напора необходимо учитывать при расчёте различных гидравлических систем для обеспечения заданных параметров (например, обеспечения требуемого напора воды в системе водоснабжения или необходимого усилия на штоке гидроцилиндра при подъёме кузова автомобиля). В повседневной жизни наиболее часто встречается движение жидкости в круглоцилиндрической трубе, поэтому потери напора при проведении опытов определяются для трубы с некоторым диаметром d.

При установившемся движении жидкости в круглоцилиндрической трубе величина потерь напора по длине зависит от:

- длины трубопровода ℓ и его внутреннего диаметра d, м;

- средней скорости движения жидкости V, м/с;

- абсолютной шероховатости (средней высоты выступов шероховатости) внутренней поверхности трубопровода ∆, мм;

- вязкости жидкости ν, м²/с.

Величину потерь напора по длине вычисляют по формуле Дарси-Вейсбаха:

h _дл = λ , (2.1)

Из формулы (2.1) видно, что потери напора по длине h _дл пропорциональны квадрату средней скорости потока жидкости V ², длине потока ℓ и обратно пропорциональны геометрическим размерам потока (диаметру d). Коэффициент гидравлического трения λ позволяет приравнять обе части уравнения, поэтому возникает необходимость определения его численного значения.

В общем случае λ = f (Re, ∆ / d), где Re – число Рейнольдса для круглоцилиндрических труб; ∆ - средняя высота выступов шероховатости стенок трубы, мм; ∆ / d - относительная шероховатость стенок трубы, мм.

Можно сделать вывод, что коэффициент гидравлического трения λ зависит от скорости движения жидкости, геометрических размеров поперечного сечения потока, физических свойств жидкости (это следует из формулы 2.1), и от шероховатости стенок труб.

При определении потерь напора необходимо учитывать толщину так называемого вязкого подслоя потока δ (дельта), соотношение толщины которого и выступов шероховатости ∆ определяет трубы как гидравлически гладкие (δ > ∆) или гидравлически шероховатые (δ ≤ ∆).

Толщину вязкого подслоя δ можно определить по формуле:

δ = , (2.2)

Теоретически коэффициент гидравлического трения λ определяется в зависимости от соотношения толщины вязкого подслоя потока δ и средней высоты выступов шероховатости ∆. Если δ > ∆, то используется формула Блазиуса:

λ = . (2.3)

Если δ ≤ ∆, то λ рекомендуется определять по формуле Альтшуля:

λ = 0,11 . (2.4)

Необходимо отметить, что формулы (2.2) … (2.4) справедливы только для турбулентного режима движения жидкости. Поскольку ламинарный режим встречается крайне редко (особенно при движении воды по трубам), то результатом данной лабораторной работы будет определение коэффициента λ как опытным, так и теоретическим путем для турбулентного режима движения жидкости.

При ламинарном режиме λ _л зависит только от Re и определяется по формуле:

λ _л = . (2.5)

Итак, при изучении потерь напора по длине можно выделить несколько основных этапов:

- необходимо знать и уметь применять уравнение Д. Бернулли с учётом потерь напора:

z ₁ + + = z ₂ + + + h _пот, (2.6)

где	z 1 + и z 2 + - потенциальная энергия избыточного давления в сечениях 1 – 1 и 2 – 2; и – кинетическая энергия потока жидкости в сечениях 1 – 1 и 2 – 2; h пот – потери напора на участке между сечениями 1 – 1 и 2 – 2;

-необходимоучесть все факторы, влияющие на величину потерь (скорость течения жидкости, размеры и форму поперечного сечения потока, шероховатость стенок трубы);

- знать и уметь применять формулу Дарси – Вейсбаха (2.1) для определения потерь напора h _пот;

- выбрать необходимую формулу для определения коэффициента гидравлического трения λ.