Потери напора при движении жидкости
Потери энергии (уменьшение гидравлического напора) можно наблюдать в движущейся жидкости не только на сравнительно длинных участках, но и на коротких. В одних случаях потери напора распределяются (иногда равномерно) по длине трубопровода - это линейные потери; в других - они сосредоточены на очень коротких участках, длиной которых можно пренебречь, - на так называемых местных гидравлических сопротивлениях: вентили, всевозможные закругления, сужения, расширения и т.д., короче всюду, где поток претерпевает деформацию. Источником потерь во всех случаях является вязкость жидкости. (Свойство жидкости оказывать сопротивление перемещению ее частиц и развивать при движении внутренние касательные напряжения называется вязкостью жидкости)
Следует заметить, что потери напора и по длине и в местных гидравлических сопротивлениях существенным образом зависят от режима движения жидкости.
Режимы движения жидкости
При наблюдении за движением жидкости в трубах и каналах, можно заметить, что в одном случае жидкость сохраняет определенный строй своих частиц, а в других - перемещаются бессистемно. Исчерпывающие опыты по этому вопросу были проведены Рейнольдсом в 1883 г. На рис. 4.7 изображена установка, аналогичная той, на которой Рейнольдс производил свои опыты.
Рис. 4.7. Схема установки Рейнольдса
Установка состоит из резервуара А с водой, от которого отходит стеклянная труба В с краном С на конце, и сосуда D с водным раствором краски, которая может по трубке вводиться тонкой струйкой внутрь стеклянной трубы В.
Первый случай движения жидкости. Если немного приоткрыть кран С и дать возможность воде протекать в трубе с небольшой скоростью, а затем с помощью крана Е впустить краску в поток воды, то увидим, что введенная в трубу краска не будет перемешиваться с потоком воды. Струйка краски будет отчетливо видимой вдоль всей стеклянной трубы, что указывает на слоистый характер течения жидкости и на отсутствие перемешивания. Если при этом, к трубе подсоединить пьезометр или трубку Пито, то они покажут неизменность давления и скорости по времени. Такой режим движения называется ламинарный.
Второй случай движения жидкости. При постепенном увеличении скорости течения воды в трубе путем открытия крана С картина течения вначале не меняется, но затем при определенной скорости течения наступает быстрое ее изменение. Струйка краски по выходе из трубки начинает колебаться, затем размывается и перемешивается с потоком воды, причем становятся заметными вихреобразования и вращательное движение жидкости. Пьезометр и трубка Пито при этом покажут непрерывные пульсации давления и скорости в потоке воды. Такое течение называется турбулентным (рис.4.7, вверху).
Если уменьшить скорость потока, то восстановится ламинарное течение.
Итак, ламина́рное течение (лат. lamina — пластинка, полоска) — слоистое течение, при котором жидкость или газ перемещается слоями без перемешивания частиц жидкости и пульсаций скорости и давления (то есть беспорядочных быстрых изменений скорости и давления).
При ламинарном течении жидкости в прямой трубе постоянного сечения все линии тока направлены параллельно оси трубы, при этом отсутствуют поперечные перемещения частиц жидкости.
Турбулентным называется течение, сопровождающееся интенсивным перемешиванием жидкости при котором ее элементы совершают неупорядоченные, неустановившиеся движения по сложным траекториям, что приводит к интенсивному перемешиванию между слоями движущихся жидкости с пульсациями скоростей и давлений. Наряду с основным продольным перемещением жидкости наблюдаются поперечные перемещения и вращательные движения отдельных объемов жидкости. Переход от ламинарного режима к турбулентному наблюдается при определенной скорости движения жидкости. Эта скорость называется критической υкр.
Значение этой скорости прямо пропорционально кинематической вязкости жидкости и обратно пропорционально диаметру трубы.
где ν - кинематическая вязкость;
k - безразмерный коэффициент;
d - внутренний диаметр трубы.
Входящий в эту формулу безразмерный коэффициент k, называется критическим числом Рейнольдса Reкр и определяется следующим образом:
Критическое число Рeйнольдса Reкр — это число, при котором наступает смена режима движения.
Для напорных потоков Reкр=2320. Для безнапорных потоков Reкр приближенно равно 500.
Для выяснения типа режима можно рассчитать число Рeйнольдса Re и сравнить его с критическим числом Reкр.
Число Рeйнольдса Re — это безразмерный критерий, вычисляемый по формулам:
— для напорных потоков
Re = Vd/υ ,
где d — внутренний диаметр напорного трубопровода;
— для безнапорных потоков
Re = VR/ υ,
где R — гидравлический радиус безнапорного потока, м.
Расчёт напорных потоков
Расчёт напорных потоков сводится к нахождению неизвестных расходов q, скоростей V или потерь напора (разности напоров) ΔH.
Для трубопроводов определяются их внутренние диаметры d. Общие потери напора (или разность напоров) определяются по формуле Вeйсбаха
- коэффициент гидравлического сопротивления.
Кавитация
В некоторых случаях при движении жидкости в закрытых руслах происходит явление, связанное с изменением агрегатного состояния жидкости, т.е. превращение ее в пар с выделением из жидкости растворенных в ней газов.
Наглядно это явление можно продемонстрировать на простом устройстве, состоящим из трубы, на отдельном участке которой установлена прозрачная трубка Вентури (рис.4.8). ([по имени итал. учёного Дж. Вентури], расходомер Вентури, - устройство для определения скорости или расхода жидкости, пара или газа по измерению перепада давления.) Вода под давлением движется от сечения 1-1 через сечение 2-2 к сечению 3-3. Как видно из рисунка, сечение 2-2 имеет меньший диаметр. Скорость течения жидкости в трубе можно изменять, например, установленным после сечения 3-3 краном.
Рис. 4.8. Схема трубки для демонстрации кавитации
При небольшой скорости никаких видимых изменений в движении жидкости не происходит. При увеличении скорости движения жидкости в узком сечении трубки Вентури 2-2 появляется отчетливая зона с образованием пузырьков газа. Образуется область местного кипения, т.е. образование пара с выделением растворенного в воде газа. Далее при подходе жидкости к сечению 3-3 это явление исчезает.
Это явление обусловлено следующим. Известно, что при движении жидкой или газообразной среды, давление в ней падает. Причем, чем выше скорость движения среды, тем давление в ней ниже. Поэтому, при течении жидкости через местное сужение 2-2, согласно уравнению неразрывности течений, увеличивается скорость с одновременным падением давления в этом месте. Если абсолютное давление при этом достигает значения равного давлению насыщенных паров жидкости при данной температуре или значения равного давлению, при котором начинается выделение из нее растворимых газов, то в данном месте потока наблюдается интенсивное парообразование (кипение) и выделение газов. Такое явление называется кавитацией.
При дальнейшем движении жидкости к сечению 3-3, пузырьки исчезают, т.е. происходит резкое уменьшение их размеров. В то время, когда пузырек исчезает (схлопывается), в точке его схлопывания происходит резкое увеличение давления, которое передается на соседние объемы жидкости и через них на стенки трубопровода. Таким образом, от таких многочисленных местных повышений давлений (гидроударов), возникает вибрация.
Таким образом, кавитация - это местное нарушение сплошности течения с образованием паровых и газовых пузырей (каверн), обусловленное местным падением давления в потоке.
Кавитация в обычных случаях является нежелательным явлением, и ее не следует допускать в трубопроводах и других элементах гидросистем. Кавитация возникает в кранах, вентилях, задвижках, жиклерах и т.д.
Кавитация может иметь место в гидромашинах (насосах и гидротурбинах), снижая при этом их коэффициент полезного действия, а при длительном воздействии кавитации происходит разрушение деталей, подверженных вибрации. Кроме этого разрушаются стенки трубопроводов, уменьшается их пропускная способность вследствие уменьшения живого сечения трубы.
Классификация трубопроводов
Прежде всего, трубопроводы могут быть подразделены в соответствии с назначением: хозяйственно-питьевые, производственные, противопожарные водопроводы, маслопроводы гидроприводов машин и т. д. В основном составе таких систем, соединения труб однотипны.
Трубопроводы различаются по характеру питания: самотечные, питающиеся от водонапорной башни или питающего бака, и с принудительным питанием - при подаче жидкости насосом.
Трубопроводы могут быть простыми и сложными.
Простым трубопроводомназывают трубопровод, составленный из труб одинакового поперечного сечения, не имеющий ответвлений, через который подается некоторый постоянный расход жидкости Q (рис. 5.1).
Сложный трубопровод представляет собой систему, состоящую из некоторого количества простых трубопроводов, соединенных между собой каким либо способом.
Сложные системы могут быть разомкнутые с последовательным соединением трубопроводов (рис. 5.2, а) и тупиковые (рис. 5.2, б), или кольцевые (рис. 5.2, в), которые также еще называются системами с параллельным соединением труб.
Если количество участков в системах велико, то они относятся к сложным распределительным сетям.