Режимы течения жидкости

Режимы движения всех потоков (напорных и безнапорных) де­лятся на два типа:

1) ламинарный;

2) турбулентный.

Ламинарный режим.

От слова «lamina» - слой, пластинка. Наблюдается при малой скорости и большой вязкости. При этом движение жидкости происходит параллельными слоями: ламинарное движение – слоистое движение. При этом в жидкости практически отсутствуют поперечные компоненты скорости.

Распределение скоростей по сечению трубопровода имеет параболический характер и коэффициент Кариолиса при этом равен двум (a=2).

Коэффициент на трение по длине при ламинарном режиме зависит только от числа Рейнольдса и не зависит от относительной шероховатости , т.е. . Эта зависимость имеет следующий вид:

или

Переход от ламинарного режима к турбулентному происходит при некотором значении безразмерного числа Рейнольдса. Число Рейнольдса, при котором происходит переход из ламинарного режима течения в турбулентный называется критическим и обозначается как Re_КР. Как показывают опыты, для труб круглого сечения Re_КР=2320. Таким образом, критерий Рейнольдса позволяет судить о режиме течения в трубе. При Re< Re_КР течение является ламинарным, при Re> Re_КР – турбулентным.

Значение чисел Рейнольдса, как правило, имеют следующие значения:

а) газопроводы сети домового потребления ³ 3000;

б) в городских сетях ³ 200 000;

в) в вентиляционных сетях ³ 150 000;

г) в сетях сжатого воздуха ³ 400 000;

д) в паропроводах центрального отопления ³ 30 000;

е) в паропроводах ТЭЦ - 3 × 10⁶ - 5 × 10⁶.

Турбулентный режим.

При достижении критического значения числа Рейнольдса ламинарное движение жидкости переходит в турбулентное, от латинского слова turbulentus (вихревой). Причем при Re=2300-4000 имеет место переходная, критическая область. В потоке наблюдается неустойчивость, порождаемая периодическим возникновением очагов турбулентности и их исчезновением. Вполне развитое турбулентное течение в трубах устанавливается при Re4000.

Для турбулентного движения характерно наличие поперечной компоненты скорости, что заставляет перемещаться частицы жидкости в направлении перпендикулярном движению и создавать вихри.

Распределение скоростей при турбулентном течении более равномерное, а нарастание скорости у стенки более крутое, чем при ламинарном. В ядре потока скорость практически одинаковая, при этом ядро потока занимает почти всё сечение; в тонком пограничном слое происходит крутое падение скорости до нулевого значения. В результате такого распределения скоростей коэффициент Кариолиса принимает значительно меньшие значения (a=1,05–1,10).

Для турбулентного течения выделяют три зоны:

1. Зона гладкостенного течения (или зона гидравлически гладких труб). Режим течения часто называют турбулентный гладкостенный.

Коэффициент трения l в этой зоне также как и при ламинарном режиме не зависит от шероховатости и является функцией только числа Рейнольдса . Для определения l используют формулу Конакова:

При Re<10⁵ применима также формула Блазиуса:

Границей данной зоны ориентировочно могут служить значения: .

2. Доквадратичная зона. Режим течения часто называют турбулентный доквадратичный.

Коэффициент трения в этой зоне зависит как от числа Рейнольдса, так и от относительной шероховатости . Для практических расчётов рекомендуется универсальная формула Альтшуля:

(*)

Границами зоны приближённо служат значения: .

3. Квадратичная зона (или зона вполне шероховатых труб). Режим течения часто называют турбулентный квадратичный.

Коэффициент трения не зависит от числа Рейнольдса, а является функцией только относительной шероховатости . В данном случае применима формула Б.Л. Шифринсона:

Эта зона имеет место при .

Для всех трёх зон турбулентного течения коэффициент трения можно определять по универсаль­ной формуле Альтшуля (*).

Кавитация

В некоторых случаях при движении жидкости в закрытых руслах происходят явления, связанные с изменением агрегатного состояния жидкости, т.е. с превращением её в пар, а также с выделением из жидкости растворённых в неё газов. Например, при течении жидкости через местное сужение трубы увеличивается скорость и падает давление. Если абсолютное давление при этом достигает значения, равного давлению насыщенных паров этой жидкости при данной температуре, или давлению, при котором начинается выделение из неё растворённых газов, то в данном месте потока начинается интенсивное парообразование (кипение) и выделение газов. В расширяющейся части скорость потока уменьшается, а давление возрастает, и выделение паров и газов прекращается; выделившиеся пары конденсируются, а газы постепенно вновь растворяются.

Это местное нарушение сплошности течения с образованием паровых и газовых пузырей (каверн), обусловленное местным падением давления в потоке, называется кавитацией.

Кавитация сопровождается характерным шумом, а при длительном её воздействии также эрозионным разрушением металлических стенок. Последнее объясняется тем, что конденсация пара (и сжатие газа) происходит со значительной скоростью, и в момент завершения схлопывания пузырька происходят местные удары, т.е. значительное повышение давления в отдельных точках. Материал при кавитации разрушается не там, где выделяются пузырьки, а там, где они конденсируются.

При возникновении кавитации значительно увеличивается сопротивление трубопроводов и, следовательно, уменьшается их пропускная способность, потому, что каверны уменьшают живые сечения потоков, скорость в которых резко возрастает.

Кавитация в обычных случаях является нежелательным явлением, и её не следует допускать в трубопроводах и других элементах гидросистем.

Кавитация может иметь место в следующих случаях: краны, вентили, задвижки, диафрагмы, жиклёры и т.д., в трубах постоянного сечения при увеличении геометрической высоты и гидравлических потерь, во всасывающих трубопроводах, в гидромашинах и т.д.