FТР=τSПl |
P1=p1f |
P2=p2f |
l |
П |
f |
1 |
2 |
x |
0 |
0 |
жидкости в трубопроводе длиной l с произвольной (но постоянной) формой и площадью поперечного cечения f; периметр этого сечения равен П, причем канал полностью заполнен движущейся жидкостью, так что речь идет о смоченном периметре; - средняя скорость потока.
Итак жидкость движется стационарно (равномерно) слева направо в направлении оси x под действием разности давлений . Исключается из рассмотрения влияние сил тяжести, так как трубопровод горизонтальный. Исключаются из рассмотрения силы инерции, так как по всей длине площадь поперечного сечения постоянна, а форма поперечного сечения произвольна, но также постоянна по всей длине выделенного участка потока. В противоположном направлении движению жидкости действуют касательные напряжения трения. Задача анализа заключается в отыскании функциональной связи между величиной потерянного напора и остальными элементами баланса действующих сил.
Анализ будем проводить в терминах баланса действующих сил в соответствии с действительным направлением этих сил относительно оси x (в терминах ОБС направления действующих сил принималось положительным всегда (см. выше). На левое торцевое сечение выделенного цилиндра действует сила давления . На правое торцевое сечение – сила давления . На боковой поверхности цилиндра действует сила трения между жидкостью и внутренней стенкой трубопровода .
Поскольку движение является установившимся и равномерным, то силы давления уравновешиваются силами трения, т.е. сумма действующих сил равна 0. Тогда
Делим каждый член полученного выражения на , получаем
. Преобразуем полученное выражение до вида (добавляя нивелирные и скоростные высоты в двух сечениях потока жидкости)
Сравнивая полученное выражение с уравнением Бернулли для реальной жидкости, находят, что
(С другой стороны ).
Ранее было показано, что эквивалентный диаметр . Делая замену, получают
Трудноопределимым в этом выражении является напряжение трения на стенках канала . От него избавляются, подставляя вместо пропорциональную ей иную величину той же размерности. В качестве таковой не следует выбирать или из-за изменения их значений по длине канала. Этот комплекс принимается пропорциональным скоростному напору Это удобно, поскольку в каналах постоянного поперечного сечения скорость (средняя) не меняется по его длине. Итак
Это выражение называется уравнением равномерного движения или уравнением Дарси-Вейсбаха.
Коэффициент пропорциональности носит название коэффициента гидравлического сопротивления.
Для круглых труб в уравнении равномерного движения эквивалентный диаметр заменяется геометрическим, d.