ИЗУЧЕНИЕ ГИДРАВЛИЧЕСКИХ СОПРОТИВЛЕНИЙ

НАПОРНОГО ТРУБОПРОВОДА С ОПРЕДЕЛЕНИЕМ

КОЭФФИЦИЕНТОВ ГИДРАВЛИЧЕСКОГО ТРЕНИЯ

И МЕСТНЫХ СОПРОТИВЛЕНИЙ

Вводная часть

Экспериментальными исследованиями установлено, что при движении жидкости часть полного напора (энергии) затрачивается на преодоление работы сил вязкости и инерции, т.е. возникают потери напора.

При равномерном движении жидкости гидравлическое сопротивление, проявляющееся равномерно по всей длине потока, называют сопротивлением по длине, а вызываемые им потери напора ‒ потерями напора по длине (h_l). Эти потери в круглых трубопроводах, работающих полным сечением, вычисляют по формуле Дарси-Вейсбаха:

(11)

где l ‒ безразмерный коэффициент, называемый коэффициентом гидравлического трения (коэффициентом Дарси). Величина коэффициента l характеризует гидравлическое сопротивление трубопровода и зависит в общем случае от числа Рейнольдса Re и относительной шероховатости D_э/ d трубопровода, т.е. l = f( R_e, D_э/ d); l и d – длина и внутренний диаметр трубопровода; v – средняя скорость движения потока жидкости.

Величину коэффициента l при гидравлических экспериментах вычисляют по опытным данным из формулы (11). При гидравлических же расчетах – по эмпирическим и полуэмпирическим формулам, например, при ламинарном режиме:

, (12)

а при турбулентном режиме движения жидкости и работе трубопровода в области доквадратичного сопротивления – по формуле А.Д. Альтшуля:

. (13)

Величину абсолютной эквивалентной шероховатости D_э при расчетах берут из справочной литературы в зависимости от материала трубопровода и состояния его внутренней поверхности. Например, для труб из органического стекла D_э= 0,006 мм, а для стальных водопроводных умеренно заржавленных труб D_э= 0,20…0,50 мм.

Область гидравлического сопротивления при расчетах определяют или непосредственно по графикам l = f(Re , D _э / d), полученным опытным путем для труб из различных материалов и приведенным в справочной литературе, например, по графику Никурадзе (рис. 7), или же с помощью соотношений и , предложенных А.Д. Альтшулем на основе использования упомянутых графиков. В последнем случае вычисляют соотношения и и сравнивают их с числом Рейнольдса . При этом, если , трубопровод работает в области квадратичного сопротивления. Если , трубопровод работает в области гидравлически гладких труб. Если же , трубопровод работает в области доквадратичного сопротивления.

Следует иметь в виду, что для каждой области гидравлического сопротивления предложены и используются при гидравлических расчетах свои формулы для вычисления коэффициента l.

Другой вид гидравлических сопротивлений, возникающих в местах резкого изменения конфигурации потока – изменение скорости потока по величине или направлению, называют местными сопротивлениями, а вызываемые ими потери напора ‒ местными потерями напора (h _м).

При прохождении через любое местное сопротивление поток жидкости деформируется (рис. 8), вследствие чего движение становится неравномерным, резко изменяющимся, для которого характерны:

а) значительное искривление линий тока и живых сечений потока;

б) отрывы транзитной струи от стенок трубопровода (ввиду действия закона инерции) и возникновение в местах отрыва устойчивых водоворотов;

в) повышенная (по сравнению с равномерным движением) пульсация скоростей и давлений;

г) изменение формы (переформирование) эпюр скоростей.

Местные потери напора при гидравлических расчетах вычисляют по формуле Вейсбаха :

, (14)

где z ‒ безразмерный коэффициент, называемый коэффициентом местного сопротивления; v ‒ средняя скорость потока в сечении за местным сопротивлением, т. е. ниже по течению (если скорость v, как исключение, принимается перед местным сопротивлением, это обязательно оговаривается).

Величина коэффициента z зависит в общем случае от числа Рейнольдса Re,от вида и конфигурации, т. е., формы проточной части местного сопротивления. В частном случае, когда трубопровод, на котором расположено местное сопротивление, работает в области квадратичного сопротивления, величина коэффициента z от Re не зависит.

Величину z для каждого вида местного сопротивления определяют по данным гидравлических экспериментов, пользуясь формулой (14). Полученные таким образом значения коэффициентов z для различных видов местных сопротивлений берутся при гидравлических расчётах (обычно при квадратичной области сопротивления) из справочной и специальной литературы. Исключением являются резкое расширение и резкое сужение трубопровода, для которых численные значения коэффициентов z определяются по формулам, полученным теоретическим и полуэмпирическим путем. При резком расширении трубопровода, когда средняя скорость в формуле (14) взята перед местным сопротивлением, т.е. v₁, коэффициент местного сопротивления от резкого расширения равен:

, (15)

где S₁ и S₂ ‒ площади проходных сечений трубопровода, соответственно, до и после местного сопротивления по направлению движения жидкости.

Если же скорость берется за местным сопротивлением, т.е. v₂, то

. (16)

Коэффициент местного сопротивления при резком сужении трубопровода (z _рс) принято относить к скорости после сужения. При этом

. (17)

Описание установки

Установка (рис. 9) представляет собой напорный трубопровод с последовательно расположенными на нем гидравлическими сопротивлениями (по длине и местными). К каждому гидравлическому сопротивлению подключено по два пьезометра (перед и за ним). Все пьезометры для удобства работы выведены на щит. Для регулирования расхода воды Q в системе служит вентиль. Величина Q измеряется с помощью мерного бака и секундомера. Подача воды в систему осуществляется из питающего резервуара по трубе открытием задвижки. Постоянный уровень воды в питающем резервуаре (для обеспечения установившегося движения в системе) поддерживается переливным устройством.

Кинематический коэффициент вязкости воды в данной работе составляет = 0,0101 см²/с = 1,01·10^-6 м²/с. Величина абсолютной эквивалентной шероховатости труб ‒ D_э = 0,1 мм.

Рис. 9. Схема установки для изучения гидравлических сопротивлений

Цель работы: 1. Определить по опытным данным, воспользовавшись формулами (11) и (14), значения коэффициента гидравлического трения λ_оп и величины коэффициента z_оп для трех видов местных сопротивлений;

2. Установить, воспользовавшись соотношениями А.Д. Альтшуля области гидравлического сопротивления, в которых работали участки напорного трубопровода;

3. Вычислить значения коэффициентов гидравлического трения λ по соответствующим эмпирическим формулам;

4. Найти справочные значения коэффициентов местных сопротивлений;

5. Оценить сходимость λ_оп и z_оп с их расчетными (справочными) значениями.

6. Построить по опытным данным (в масштабе) график напоров для участка, предложенного преподавателем.

Дата добавления: 2020-04-08; просмотров: 252; Мы поможем в написании вашей работы!

Поделиться с друзьями:

⇐ Предыдущая 1 2 3 4 567 8 9 10 Следующая ⇒

Мы поможем в написании ваших работ!