На преодоление гидравлических сопротивлений

     При движении жидкости в потоке появляются силы трения, направленные против движения, и на работу по их преодолению затрачивается часть энергии. Если энергия потока меньше, чем работа сил трения, то поток не сможет преодолеть работу этих сил и остановится. Без учета сил трения невозможно рассчитать точные количественные характеристики потока.

     Гидравлические потери энергии подразделяются на две группы.

     1. Потери энергии по длине потока. Они наблюдаются в трубах и каналах постоянного сечения и увеличиваются пропорционально длине потока, так как при этом увеличивается поверхность трения.

     2. Потери энергии в местных гидравлических сопротивлениях, возникающие при деформации потока.

     Как правило, деформация потока обусловлена установкой трубопроводной арматуры (краны, вентили, задвижки и др.), а также внезапными сужениями, расширениями и поворотами потока.

     Местные потери напора h_м определяются по формуле Вейсбаха:

 

hм = x × J ^2 /2g,

(20)

где x - безразмерный коэффициент, зависит от вида и конструктивного выполнения местного сопротивления, приводится в справочной литературе (Приложение 9);

J - скорость движения жидкости в трубопроводе, где установлено местное сопротивление.

     Потери энергии на единицу веса (потери напора) по длине потока определяются по формуле Дарси-Вейсбаха:

,

(21)

 

где l - длина потока, J - средняя скорость в сечении потока, d _г - гидравлический диаметр, для круглых труб он равен диаметру трубы.

     В формуле (26) величина l называется коэффициентом гидравлического трения. Этот коэффициент зависит от режима движения жидкости (числа Re) и состояния поверхности трубопровода.

 

              Существует два режима движения жидкостей - ламинарный и турбулентный.

     Граница между ламинарным и турбулентным режимом движения определяется по величине критического значения числа Re_кр. Это число зависит от формы сечения канала и от рода жидкости.

 

Reкр =2300

- для канала круглого сечения

     Если расчетное значение числа Re меньше критического (Re < Re_кр) -имеет место ламинарный режим движения, в противном случае - турбулентный.

     При ламинарном режиме коэффициент гидравлического трения определяется следующим образом:

l = 64 / Re

- для канала круглого сечения

(22)

     Здесь Re - критерий Рейнольдса.

Re = J ×d г × r / h,

(23)

где J - средняя скорость движения в сечении потока, d _г - гидравлический диаметр, r - плотность жидкости, h - динамический коэффициент вязкости жидкости.

     Величины r и h  характеризуют физические свойства жидкости. Они зависят от рода жидкости и температуры и приводятся в справочной литературе. Часто в справочниках вместо динамического коэффициента вязкости h приводится кинематический коэффициент вязкости n = h / r.

     В этом случае число Re можно определять так:

Re = J × d / n.

(24)

 

При турбулентном режиме (Re > Re_кр) различают три зоны сопротивления:

 

1. Зона гидравлически гладких труб (Re _кр<Re £ 10d/ D_э). Здесь коэффициент гидравлического трения зависит только от числа Re и определяется по формуле Блазиуса:

l = 0,316 / Re^0,25

         

2. Зона шероховатых труб (10d/ D <Re £ 500d/ D_э). Здесь коэффициент гидравлического трения зависит от числа Re и от относительной шероховатостии определяется по формуле Альтшуля:

l = 0,11 ( 68 / Re +D э /d)^0,25

(25)

         

3. Зона абсолютно шероховатых труб или квадратичная зона

(Re > 500d/ D_э). Здесь коэффициент гидравлического трения зависит только от относительной шероховатостии определяется по формуле Шифринсона:

l = 0,11 (D э /d)^0,25.

     С незначительной погрешностью формула Альтшуля ( 25 ) может использоваться как универсальная для всей турбулентной области течения.

     Во всех формулах для турбулентного режима D_э - абсолютная эквивалентная шероховатость, то есть такая высота равномерно-зернистой шероховатости, при которой в квадратичной зоне сопротивления потери напора равны потерям напора для данной естественной шероховатости трубы.

      Значение D_э зависит от материала поверхности трубопровода и от способа его изготовления, приводится в справочниках.