Гидравлические потери напора, как и при внезапном расширении, связаны с отрывом потока от стенок как в широкой, так и в узкой части трубы с образованием вихрей (водоворотной области) (рис. 4.19). При достижении потоком жидкости острых кромок узкой части трубы происходит отрыв потока, в результате он сужается (сечение С-С) и далее расширяется. Пространство вокруг суженного потока будет представлять собой вихревую область.
Между водоворотной областью и транзитным потоком образуется поверхность раздела. В результате пульсации скоростей и вихреобразования происходит массообмен частицами водоворотной области и самого потока.
Рис. 4.19. Внезапное сужение трубы
Потери напора можно определить, используя формулу Борда, полагая, что в основном потери будут за сжатым сечением, а до сжатого сечения потери напора существенно малы.
Скорость в сжатом сечении С-С площадью
. (4.136)
Выразим отношение площадей сжатого сечения и площади узкой части трубы через коэффициент , который называется коэффициентом сжатия:
|
|
. (4.137)
Потери напора по Борда
. (4.138)
Из уравнения неразрывности
, . (4.139)
Выразим потери напора через скоростной напор :
(4.140)
или
. (4.141)
Тогда коэффициент местного сопротивления
. (4.142)
Коэффициент сжатия зависит от отношения площадей узкой и широкой трубы: . Отношение площадей .
Коэффициент может быть вычислен по формуле А. Альтшуля
. (4.143)
Коэффициент местных сопротивлений может быть определен по формуле, предложенной И. Идельчиком:
. (1.144)
Если , в случае когда труба выходит из большого резервуара, , тогда при прямых углах соединения трубы .
Вход потока в трубу
Экспериментальными исследованиями установлено, что сопротивления зависят от толщины передней кромки круглой трубы. Для кромки с относительной толщиной коэффициент местных сопротивлений на входе . При бесконечно малой толщине кромки () .
Для уменьшения сопротивления на входе применяются входные наконечники конической формы или с плавным входом (рис. 4.20). В случае наличия перед входом в трубу экрана потери увеличиваются. В таких наконечниках весьма существенно уменьшается отрыв потока от стенок. Для конусных наконечников с , наконечников с плавным входом - при .
Рис. 4.20. Различные входы в трубу
Диафрагма на трубопроводе
Диафрагма устанавливается на трубопроводе для регулирования расхода воды в определенном месте. Трубопровод в месте установки диафрагмы имеет постоянное живое сечение, d= const (рис. 4.21).
Рис. 4.21. Диафрагма на трубопроводе
Коэффициент местного сопротивления диафрагмы определяется по формуле
, (4.145)
где - отношение площади отверстия диафрагмы диаметром к поперечной площади сечения трубы диаметром ; - коэффициент сжатия при прохождении потока через отверстие диафрагмы, рекомендуется находить по формуле А. Альтшуля (4.143):
|
|
.
Закругление трубы
Плавно закругленные трубы или поворот трубы называют отводом. Радиус кривизны R влияет на вихреобразование потока жидкости, т.е. на сопротивление движению (рис. 4.22). Известна формула Вейсбаха по определению коэффициента местных сопротивлений при соблюдении следующих условий: :
, (4.146)
где - угол закругления.
Рис. 4.22. Закругления труб: а - плавное закругление (отвод); б - резкое закругление
В случае резкого поворота трубы (рис. 4.22, б) возникают существенно большие потери напора. В результате действия центробежных сил происходит отрыв от стенок потока жидкости с вихреобразованием, приводящий к возникновению водоворотной области.
Для такого круглого колена коэффициент зависит от угла наклона осей колена . При находится в пределах значения 1,0. В случае большой шероховатости стенок будет больше единицы.