Общие сведения. Местные изменения размеров или конфигурации русла на различных фасонных участках (внезапное или плавное расширение (сужение)

Местные изменения размеров или конфигурации русла на различных фасонных участках (внезапное или плавное расширение (сужение), вентили, задвижки, клапаны, колена, арматура и т.п.) вызывают деформацию и изменение скорости потока. При прохождении жидкости через фасонные участки происходит отрыв транзитного потока от стенок русла, образуются циркуляционные зоны, на вращение жидкости в которых затрачивается часть механической энергии потока.

Гидравлические сопротивления фасонных участков называются местными сопротивлениями, потери механической энергии в этих местных сопротивлениях называются местными потерями энергии.

Потери напора в местных гидравлических сопротивлениях с физической точки зрения обусловлены инерционно-вязкостным взаимодействием жидкости со стенками фасонных участков русла и могут быть определены по формуле Вейсбаха:

, (1)

где z – коэффициент местного сопротивления; V – средняя по сечению скорость, м/с.

Если скорость в местном гидравлическом сопротивлении изменяется по длине, то за расчетную скорость принято принимать бóльшую из скоростей.

Сложный характер взаимодействия потока жидкости с местными гидравлическими сопротивлениями не позволяет, как правило, установить аналитические зависимости для определения коэффициентов местных сопротивлений z. Для большинства местных сопротивлений коэффициенты z определяются опытным путем. В общем случае, как показывают расчеты и данные опытов, коэффициенты z зависят от геометрии фасонного участка трубы или канала и от состояния потока. При этом влияние числа Рейнольдса Re на коэффициенты многих местных сопротивлений ограничивается, как правило, областью ламинарного течения жидкости. При турбулентном течении коэффициенты местных сопротивлений z определяются в основном формой местных сопротивлений и геометрическими параметрами и не зависят от числа Рейнольдса, что означает квадратичный закон сопротивления или автомодельность.

Величина местных потерь напора экспериментально определяется разностью полных напоров жидкости до и после местного сопротивления. При этом коэффициент местного сопротивления z определяется отношением местных потерь напора к скоростному напору, то есть

. (2)

При расчетном определении потерь напора по формуле Вейсбаха (1) коэффициент местного сопротивления при внезапном сужении русла может быть определен по полуэмпирической формуле Идельчика:

. (3)

При определении потерь напора при внезапном сужении потока необходимо коэффициент умножить на бóльший скоростной напор, то есть на V₂ /2×g.

Коэффициент местного сопротивления при внезапном расширении русла может быть определен по следующей аналитической зависимости:

(4)

При определении потерь напора при внезапном расширении потока необходимо коэффициент умножить на бóльший скоростной напор, то есть на V ₁ /2× g.