Исследование гидравлических сопротивлений

Цель работы: повышение уровня знаний о гидравлических сопротивлениях при движении жидкости по трубам, приобретение навыков их самостоятельного определения.

Задачи работы:

1. Закрепить сведения о видах гидравлических сопротивлений и способах их определения.

2. Измерить сопротивление трения движению жидкости по трубе.

3. Измерить местное сопротивление в трубе.

4. Проанализировать причины различий экспериментальных и расчетных данных.

Теоретические основы

Существует два вида потерь гидравлического напора при движении жидкости: потери на трение при движении по прямым участкам трубопроводов и потери на вихреобразование при каждом изменении конфигурации проходного сечения. Первые из них называют потерями на трение (DР_т), а вторые – потерями на местных сопротивлениях (DР_м), т.е.

DР= DР_т + DР_м. (12.1)

Потери на местных сопротивлениях определяются формулой Вейсбаха, как часть динамического напора потока (н/м²) перед сопротивлением:

(12.2)

где r – плотность жидкости, кг/м³;

– скорость движения жидкости по трубопроводу перед местным сопротивлением, м/с;

x – коэффициент местного сопротивления.

Коэффициент местного сопротивления (x) зависит от критерия Рейнольдса (Re) и от конфигурации проходного сечения в устройстве, являющегося местным сопротивлением:

(12.3)

где d – диаметр трубы (м) или другой характерный размер устройства;

n – кинематическая вязкость жидкости, м²/c.

n,см2/с

t,oC

Рис. 12.1.Кинематическая вязкостьводы в зависимости от температуры

0,020
0,015
0,010
0,050

Кинематическая вязкость жидкости зависит от температуры, и зависимость вязкости от температуры представлена на графике рис. 12.1. Зависимость коэффициента местного сопротивления от критерия Рейнольдса имеет место лишь при малых скоростях потока, соответствующих значениям критерия Рейнольдса Re<500. При практике местные сопротивления обычно работают при более высоких значениях критерия Рейнольдса.

В этой области коэффициенты сопротивления остаются постоянными. Поэтому данная область (область Re > 500) называется областью автомодельности по критерию Re.

В ней местные сопротивления зависят только от конфигурации проходного сечения устройства, определяющего это сопротивление. Это позволяет составить справочные таблицы по гидравлическим со­противлениям основных используемых в технике устройств.

Потери гидравлического напора, связанные с распределенными по длине трубопровода потерями на трение, рассчитывают по формуле Дарси-Вейсбаха, также как часть гидродинамического напора движущегося потока:

(12.4)

где l– коэффициент гидравлического сопротивления трения;

λ, d – длина и диаметр трубопровода;

a– коэффициент Кориолиса. При Re < 2320 берется a»2.

Коэффициент гидравлического сопротивления определяется двумя факторами – значением числа Рейнольдса и шероховатостью поверхности трубопровода. В связи с изменением характера течения при изменении критерия Рейнольдса изменяются также и зависимости для расчета коэффициентов гидравлического сопротивления. Каждая из расчетных зависимостей применима лишь в соответствующей области значения критерия Рейнольдса. На практике пользуются несколькими записями расчетных формул, наиболее распространенные из которых сведены в табл. 12.1.

Используемые в расчетах величины шероховатости труб, изготовленных из различных материалов, представлены в табл. 12.2.