1. Вплив режиму течії в трубах на гідравлічні втрати [ правити | правити код ]

Гідравлічні втрати або гідравлічний опір - безповоротні втрати питомої енергії (Перехід її в теплоту ) На ділянках гідравлічних систем (систем гідроприводу , трубопроводах , Іншому ГІДРОУСТАТКУВАННЯ), обумовлені наявністю вузького тертя [1] [2] . Хоча втрата повної енергії - суттєво позитивна величина, різниця повних енергій на кінцях ділянки течії може бути і негативною (наприклад, при Ежекційна ефекті ).

Гідравлічні втрати прийнято розділяти на два види:

• втрати на тертя по довжині - виникають при рівномірному течії, в чистому вигляді - в прямих трубах постійного перетину, вони пропорційні довжині труби;
• місцеві гідравлічні втрати - обумовлені т. н. місцевими гідравлічними опорами - змінами форми і розміру каналу, що деформують потік. Прикладом місцевих втрат можуть служити: раптове розширення труби, раптове звуження труби, поворот, клапан і т. П.

гідравлічні втрати висловлюють або у втратах напору Δ h {\ displaystyle \ Delta h} в лінійних одиницях стовпа середовища, або в одиницях тиску Δ P {\ displaystyle \ Delta P} : Δ h = Δ P ρ g {\ displaystyle \ Delta h = {\ Delta P \ over \ rho g}} , Де ρ {\ displaystyle \ rho} - щільність середовища, g - прискорення вільного падіння .

У багатьох випадках приблизно можна вважати, що втрати енергії при протіканні рідини [3] через елемент гідравлічної системи пропорційні квадрату швидкості рідини [2] . З цієї причини зручно буває характеризувати опір безрозмірною величиною ζ [4] , Яка називається коефіцієнт втрат або коефіцієнт місцевого опору і така, що

Δ p = ζ ρ w 2 + 2, Δ h = ζ w 2 + 2 g. {\ Displaystyle \ Delta p = \ zeta {\ rho w ^ {2} \ over 2} {\ mbox {,}} \ Delta h = \ zeta {w ^ {2} \ over 2g} {\ mbox {.} }}

Тобто в припущенні, що швидкість w по всьому перетину потоку однакова, ζ = Δ p / e торм, де e торм = ρ w ² / 2 - енергія гальмування одиниці об'єму потоку щодо каналу. Реально в потоці швидкість рідини не рівномірна, в довідковій літературі в даних формулах приймається среднерасходная швидкість w = Q / F, де Q - об'ємна витрата, F - площа перетину, для якого розраховується швидкість [1] . Таким чином, середня енергія гальмування потоку звичайно трохи більше ρ w ² / 2, см. середнє квадратичне .

Для лінійних втрат зазвичай користуються коефіцієнтом втрат на тертя по довжині (також коефіцієнт Дарсі ) Λ, що фігурує в формулою Дарсі - Вейсбаха [2]

Δ h = λ L d ⋅ w ​​2 2 g {\ displaystyle \ Delta h = \ lambda {\ frac {L} {d}} \ cdot {w ^ {2} \ over 2g}} ,

де L - довжина елемента, d - характерний розмір перетину (для круглих труб це діаметр). Інакше в одиницях тиску

Δ p = λ L d ⋅ ρ w 2 2 {\ displaystyle \ Delta p = \ lambda {\ frac {L} {d}} \ cdot {\ rho w ^ {2} \ over 2}} ;

таким чином, для лінійного елемента відносної довжини L / d коефіцієнт опору тертя ζтр = λ L / d.

Вплив режиму течії в трубах на гідравлічні втрати [ правити | правити код ]

оскільки при турбулентному режимі течії відбувається витрата енергії потоку на подолання в'язкості при турбулентних коливаннях, гідравлічні втрати при ламинарном режимі течії рідини значно менше, ніж при турбулентному . Так, наприклад, якщо б в системах водопостачання і опалювання при існуючих швидкостях руху рідин можливо було б підтримувати ламінарний режим течії, то натиск насосів можна було б зменшити в 5-10 разів [ Джерело не вказано 2624 дня ]. Зміна режиму течії з ламінарного на турбулентний викликає стрибкоподібне збільшення опору (при деяких швидкостях, тобто в деякому діапазоні чисел Рейнольдса , Ламінарний плин нестійкий, але в певних умовах може існувати). У той же час коефіцієнт гідравлічного опору при ламінарному режимі зазвичай виходить більше, ніж при турбулентному, оскільки для ламінарних режимів характерні нижчі швидкості. При ламінарному режимі опір приблизно лінійно залежить від швидкості (відповідно, коефіцієнт приблизно лінійно падає, наприклад, в круглих трубах λ = 64 R e {\ displaystyle \ lambda = {\ frac {64} {\ mathrm {Re}}}} ). При турбулентному режимі в гідравлічно гладких трубах (при невеликих шорсткостях і невеликих Re) залежність має інший характер (для круглих труб λ = 0, 3164 R e 4. {\ displaystyle \ lambda = {\ frac {0,3164} {\ sqrt [{4}] {\ mathrm {Re}}}}.} ) І у всіх практично реалізованих випадках лежить вище залежності для ламінарного режиму; при великих числах Рейнольдса під впливом шорсткості графік λ зазнає складний вигин, і починаючи з деякого критичного значення при Re> Reкр (область автомодельности) λ залежить тільки від шорсткості.

На подолання гідравлічних втрат в різних технічних системах витрачається робота таких пристроїв, як насоси , повітродувки .

Для зменшення гідравлічних втрат рекомендується в конструкціях гидрооборудования уникати застосування деталей, що сприяють різкої зміни напрямку потоку - наприклад, замінювати раптове розширення труби поступовим розширенням ( дифузор ), Надавати тіл, що рухаються в рідинах, обтічну форму і ін. Навіть в абсолютно гладких трубах є гідравлічні втрати [2] ; при ламінарному режимі шорсткість мало на них впливає, проте при звичайних в техніці турбулентних режимах її збільшення, як правило, викликає зростання гідродинамічного опору.

Іноді, навпаки, потрібно ввести гідравлічний опір в потік. Для цього застосовуються дросельні шайби , Редукційні установки, регулюючі клапани . За виміру тиску на деякому елементі, графік коефіцієнта гідравлічного опору якого відомий, можна дізнатися швидкість потоку в деяких поширених типах витратомірів .

1. ↑ 1 2 Ідельчик І. Е. Довідник з гідравлічних опорам / Под ред. М. О. Штейнберга. - 3-е изд., Перераб. і доп.- М .: Машинобудування, 1992. - C. 10
2. ↑ 1 2 3 4 Гідравліка, гідромашини і гідроприводи: Підручник для машинобудівних вузів / Т. М. Башта, С. С. Руднєв, Б. Б. Некрасов та ін .. - 2-е изд., Перераб .. - М.: Машинобудування , 1982. - С. 48-50, 84, 88.
3. ↑ У гідродинаміці рідиною називається будь-яка текуче середовище, як крапельна рідина , так і газ .
4. ↑ Також застосовується позначення ξ ; літери часто плутають, іноді застосовують для розрізнення того, у вхідному або вихідному перерізі елемента вимірювалася швидкість у формулі (для розширення або звужуються елементів).