Простейший анализ уравнений движения вязкой жидкости позволяет сделать вывод, что давление в пей изменяется под действием совокупности сил инерции, сил тяжести и сил трения. В напорных потоках сила тяжести вызывает только гидростатическое распределение давления. Ее роль для напорных потоков, как отмечалось выше, не существенна, а учитывающий ее действие критерий Фруда не имеет значения при моделировании напорных потоков.
Таким образом, можно заключить, что определяющим критерием подобия при моделировании напорных потоков является число Рейнольдса.
Критерий Эйлера, в формулу которого входит давление, в данном случае является неопределяющим. Раскрытие его функциональной связи с числом Рейнольдса и геометрическими характеристиками напорного потока Eu=f(Red, Δ/d, l/d) составляет основную цель моделирования напорных потоков.
Для напорного трубопровода с круговым поперечным сечением эта связь часто представляется в виде зависимости
т. е. формулой Дарси - Вейсбаха. В этом случае влияние числа Рейнольдса проявляется через коэффициент гидравлического трения
|
|
Эксперименты показывают, что при больших числах Рейнольдса коэффициент λ не зависит от числа Рейнольдса Red - это область квадратичного сопротивления, или область гидравлически шероховатых поверхностей. Следовательно, в этой зоне λ автомоделен к числу Red и при моделировании напорных потоков в этой зоне не требуется равенство чисел Рейнольдса в натурном и модельном потоках. Условия подобия упрощаются и сводятся к требованию
т. е. должно соблюдаться лишь геометрическое подобие выступов шероховатости по внутренней поверхности труб. Может показаться странным, но удовлетворить условию (Δld)м =(Δ/d)н оказывается далеко не просто, так как это сопряжено иногда с поиском для модели материала с весьма гладкой поверхностью.
Естественным условием моделирования напорных потоков в квадратичной зоне сопротивления является обеспечение на модели развитого турбулентного движения. Только тогда на модели будет обеспечена автомодельность коэффициента λ к числу Re. Для этого необходимо, чтобы для модельного потока число Рейнольдса превосходило граничное число Рейнольдса Reгр соответствующее нижней границе зоны квадратичного сопротивления:
Reм>Rerpм.
В случае равнозернистой шероховатости граничное число Рейнольдса может быть вычислено по зависимости
(7.25)
где dм - диаметр трубы модели; Δм — высота выступов шероховатости модельной трубы; λм=λн - коэффициенты гидравлического трения.
Незначительно ухудшая точность, условие (7.25) можно заменить более простым условием, т. е. допустить на модели зону доквадратичного сопротивления, приняв
|
|
(7.26)
При моделировании гидравлических явлений размеры моделей, как правило, меньше натуры и геометрическим масштабом задаются исходя из ограничений, наложенных необходимостью соблюдения подобия шероховатости. Если νм=νн, т. е., если жидкость в натуре и на модели одна и та же (mν=1), то масштаб скорости определяют по соотношению
Отсюда для минимально допустимого размера модели
(7.27)
Трубы, работающие в натурных условиях как гидравлически гладкие, могут моделироваться только при соблюдении критерия Рейнольдса Reм=Reн, так как в этом случае λ=λ (Re). Масштаб скорости при условии mν=1 и заданном геометрическом масштабе т находится из условия
Следовательно, тu=т-1.
Таким образом, при моделировании напорных потоков поступают обычно следующим образом:
1) определяют для натурных условий зону сопротивле
ния ;
2) если то подбирают материал модели, стараясь обеспечить подобие шероховатости стенок (как правило, точное геометрическое подобие выступов шероховатости оказывается недостижимым), и назначают минимальный геометрический масштаб модели;
3) масштаб скорости вычисляют по формуле (7.27);
4) если Reн<Rerpн и область сопротивления гладкостенная, то подобие шероховатости поверхности может не обеспечиваться, однако стенки модели должны быть гидравлически гладкими. В этом случае после назначения геометрического масштаба т масштаб скорости вычисляется по формуле тu=1/т.
Довольно часто исследователь обнаруживает несоответствие принятой степени шероховатости модели натурным условиям уже в процессе проведения экспериментов, т. е. когда произведены затраты времени и средств на постройку модели. Выход обычно находят в определении так называемых масштабных множителей, т. е. введения поправочных коэффициентов к масштабу скорости.