Hidrauliniai nuostoliai

Specifinės energijos (galvos) arba hidrauliniai nuostoliai priklauso nuo kanalo (vamzdžių ir kt.) formos, dydžio ir šiurkštumo, taip pat nuo skysčio srauto ir klampumo, tačiau praktiškai nepriklauso nuo absoliučios vertės. jame esančio slėgio.

Daugeliu atvejų hidrauliniai nuostoliai yra maždaug tiesiogiai proporcingi skysčio srauto greičio kvadratui, todėl hidraulikoje įprasta visos slėgio hidraulinius nuostolius išreikšti tiesiniais vienetais.

kur koeficientas yra bematis pasipriešinimo koeficientas, išreiškiantis prarastos galvos ir greičio galvos santykį.

Hidrauliniai nuostoliai skirstomi į vietinius ir trinties nuostolius.

Vietiniai nuostoliai atsiranda dėl vadinamųjų vietinių hidraulinis pasipriešinimas(keičiant kanalo formą ir dydį, vamzdžiuose - posūkiuose, diafragmose, čiaupuose ir kt.).

Trinties nuostoliai arba ilgio nuostoliai yra energijos nuostoliai, atsirandantys tiesiuose pastovaus skerspjūvio vamzdžiuose. Jie atsiranda dėl vidinės trinties skystyje, todėl vyksta ne tik šiurkščiuose, bet ir lygiuose vamzdžiuose.

Šiuo atveju patogiau susieti trinties pasipriešinimo koeficientą su santykiniu vamzdžio ilgiu

kur yra bematis trinties nuostolių koeficientas.

3.12.1 Vietiniai slėgio nuostoliai

Vietiniai slėgio nuostoliai atsiranda santykinai trumpose srauto atkarpose, kur keičiasi vidutinio greičio dydis ir kryptis. Tokie greičio pokyčiai dažniausiai atsiranda vamzdynų jungiamosiose detalėse ir jungiamosiose detalėse - posūkiuose, perėjimuose, trišakiuose, čiaupuose, ventiliacijose, vožtuvuose ir kt. Skysčio judėjimą vietinių kliūčių srityje lydi staigus srauto struktūros pažeidimas, papildomų sūkurių ir sūkurių zonų susidarymas, sūkurys ir tėkmės harmonijos pažeidimai.

Nepaisant vietinių varžų geometrinių konfigūracijų įvairovės, kiekvienoje iš jų galima išskirti atkarpą, kurioje srautas priverstas smarkiai mažėti arba padidinti vidutinį greitį. Kartais vietinis pasipriešinimas reiškia nuoseklų tokių sekcijų kaitą.

Todėl vietinių varžų tyrimą patartina pradėti nuo paprasčiausio atvejo – staigaus srauto išsiplėtimo (3.16 pav.).

Vietinis slėgio praradimas, atsirandantis dėl staigaus srauto išsiplėtimo srityje tarp 1-1 ir 2-2 sekcijų, apibrėžiamas kaip skysčio specifinių energijų skirtumas sekcijose:

. (3.96)
Norėdami nustatyti slėgio skirtumą, įtrauktą į (3.95) lygtį, skysčio srautui tarp 1-1 ir 2-2 sekcijų taikome gerai žinomą mechanikos teoremą apie impulso pokytį projekcijomis į srauto ašį. S-S.

Už tai:

1) nustatyti išorinių jėgų, veikiančių nagrinėjamą tūrį judėjimo kryptimi, impulsą;

2) impulso pokytį randame kaip skirtumą tarp antrojo impulso, paimto iš nagrinėjamo tūrio ir įnešto į jį.

Po transformacijų gauname:

. (3.97) Iš (3.97) formulės matyti, kad aukščio (savitosios energijos) praradimas staigiai išsiplečiant kanalui yra lygus greičio galvai, skaičiuojamai iš greičių skirtumo. Ši nuostata vadinama Borda-Carnot teorema.

Galvos praradimas dėl staigaus išsiplėtimo gali būti siejamas su V 1 arba į V 2 . Atsižvelgiant į tai V 1 ω 1 = V 2 ω 2 tai yra V 2= V 1 ω 1 / ω 2(pagal tęstinumo lygtį), tada formulę (3.97) galima parašyti tokia forma, atitinkančia įprastas būdas vietinių nuostolių išraiškos

. (3.98)

Lygtis (3.98) vadinama Weisbacho formule.

Todėl staigaus kanalo išsiplėtimo atveju pasipriešinimo koeficientas yra lygus

. (3.99)
Šią teoremą gerai patvirtina eksperimentiniai turbulentinio srauto duomenys ir ji plačiai naudojama skaičiavimuose.

Konkrečiu atveju, kai sritis ω 2 labai didelis palyginus su plotu ω 1 taigi ir greitis V 2 gali būti laikomas lygiu nuliui, plėtimosi nuostoliai lygūs

tai yra, šiuo atveju prarandama visa greičio galvutė (visa skysčio kinetinė energija). pasipriešinimo koeficientas ξ šiuo atveju lygus vienetui.

Apsvarstykite staigaus kanalo susiaurėjimo atvejį.

Staigus susiaurėjimas, kaip rodo daugybė eksperimentų, skysčio srautas pradeda spausti tam tikru atstumu prieš patekdamas į siaurą atkarpą. Įėjus į siaurą sekciją, dėl inercijos srauto suspaudimas tęsiasi iki minimalaus skerspjūvio ω su, po kurio srovė pradeda plėstis, kol užpildo visą siauros dujotiekio atkarpos skerspjūvį ω 2. galvos praradimas abipusio judėjimo metu h in.Su. srauto perėjime iš atkarpos ω 1į skyrių ω 2 susijęs su čiurkšlės išsiplėtimu C-C skyrius– 2-2 ir galima rasti pagal Bordos formulę

, (3.101)

ir atsižvelgiant į tęstinumo lygtį

. (3.102)

Suspaustos purkštuko dalies ploto ir kanalo ploto, kuriame stebimas šis suspaudimas, santykis vadinamas purkštuko suspaudimo laipsniu.

Turint tai omenyje

. (3.104)

Patirtis rodo, kad vertė ε priklauso nuo dujotiekio plotų santykio prieš ir po susiaurėjimo.

Atsižvelgėme į du vietinio slėgio nuostolių tipus – su staigiu dujotiekio išsiplėtimu ir susiaurėjimu, kuriuose pasipriešinimo koeficientas nustatomas teoriškai. Visoms kitoms vietinėms varžoms varžos koeficiento reikšmė nustatoma empiriškai.

Dažniausiai pasitaikantys vietiniai pasipriešinimai yra:

Vamzdis yra kampu bako sienelės atžvilgiu;

Vamzdis yra statmenai rezervuaro sienelei;

Vamzdžio alkūnė su apvalinimu 90 0 kampu;

Staigus vamzdžio posūkis ir kt.
Šių atvejų pasipriešinimo koeficientų skaitinės vertės paprastai pateikiamos informacinėje literatūroje.

Apibendrinant, reikia pažymėti, kad vietinio pasipriešinimo reikšmė išlieka pastovi tik esant išvystytam turbulentiniam režimui. Re>3000. Pereinamojoje zonoje ir laminariniame režime ( Re< 3000) следует учитывать увеличение ξ, вызываемое существенным влиянием сил вязкостного трения.

Skysčiui judant vamzdyje tarp jo ir vamzdžio sienelių atsiranda papildomos pasipriešinimo jėgos, dėl kurių sulėtėja šalia vamzdžio paviršiaus esančios skysčio dalelės. Šis lėtėjimas, dėl skysčio klampumo, perkeliamas į kitus sluoksnius, toliau nuo vamzdžio paviršiaus, o dalelių greitis palaipsniui mažėja tolstant nuo vamzdžio ašies.
Atsparumo jėgų T rezultatas nukreipiamas priešinga skysčio judėjimui kryptimi ir lygiagrečiai judėjimo krypčiai. Tai hidraulinės trinties jėga (hidraulinis atsparumas trinčiai).

Norint įveikti trinties pasipriešinimą ir išlaikyti vienodą skysčio judėjimą, reikia, kad skystį veiktų jėga, nukreipta jo judėjimo kryptimi ir lygi pasipriešinimo jėgai, t.y., būtina eikvoti energiją. Energija arba galva, reikalinga pasipriešinimo jėgoms įveikti, vadinama prarasta energija arba prarasta galva.
Slėgio nuostoliai, reikalingi trinties pasipriešinimui įveikti, vadinami trinties galvos praradimas arba galvos praradimas išilgai srauto ilgio (linijinis galvos praradimas) ir paprastai žymimi h tr .

Tačiau trintis nėra vienintelė galima galvos praradimo priežastis. Staigus skerspjūvio pokytis taip pat priešinasi skysčio judėjimui. (vadinamasis formos atsparumas) ir sukelia energijos praradimą. Yra ir kitų priežasčių, dėl kurių netenkama galvos, pavyzdžiui, staigus skysčio tekėjimo krypties pasikeitimas.
Galvos praradimas dėl staigaus srauto ribų konfigūracijos pasikeitimo (išleista formų pasipriešinimo įveikimui), vadinami vietiniais galvos nuostoliais arba slėgio praradimas dėl vietinio pasipriešinimo ir žymimi h m .

Taigi slėgio nuostoliai skysčio judėjimo metu yra slėgio nuostolių dėl trinties ir nuostolių dėl vietinio pasipriešinimo suma, ty:

h S \u003d h tr + h m.

Galvos netekimas su vienodu skysčio judėjimu vamzdžiuose

Raskime bendrą slėgio praradimo dėl trinties išraišką tolygiai judant skysčiui vamzdžiuose, kuri galioja tiek laminariniam, tiek turbulentiniam režimui.

Tolygiai judant, vidutinio greičio reikšmė ir greičių pasiskirstymas skerspjūvyje nesikeičia per visą dujotiekio ilgį. Todėl tolygus judėjimas galimas tik pastovaus skerspjūvio S vamzdžiuose, nes priešingu atveju vidutinis greitis pasikeis pagal lygtį:

v= Q/S = pastovus .

Vienodas judėjimas vyksta tiesiuose vamzdžiuose arba vamzdžiuose, kurių kreivio spindulys yra labai didelis R (tiesinis judėjimas), nes kitaip vidutinis greitis gali keistis kryptimi.
Be to, skysčių greičių prigimties nekintamumo sąlyga gyvojoje atkarpoje gali būti parašyta kaip α = const , kur α – Koriolio koeficientas. Paskutinė sąlyga gali būti įvykdyta tik tuo atveju, jei atitinkama srauto dalis yra pakankamai pašalinta iš vamzdžio įleidimo angos.

Jei išskirsime dvi savavališkas dalis vamzdžio atkarpoje su tolygiai tekančiu skysčiu 1 ir 2 , tada slėgio nuostolius judant skysčiui tarp šių sekcijų galima apibūdinti naudojant Bernulio lygtį:

z 1 + p 1 /γ = z 2 + p 2 /γ + h tr,

kur:
z 1 ir z 2 - aukščio skirtumas tarp atitinkamų sekcijų centrų;
p 1 ir p 2 - skysčio slėgis atitinkamose sekcijose;
γ – savitasis skysčio tankis, γ = gρ ;
h tr – prarastos energijos vertė (trinties nuostoliai).

Iš šios formulės išreiškiame prarastos energijos h tr reikšmę:

h tr \u003d (z 1 + p 1 / γ) - (z 2 + p 2 / γ).

Ši išraiška vadinama vienodo skysčio judėjimo vamzdyne lygtimi. Jei vamzdis yra horizontaliai, ty tarp jo sekcijų nėra aukščio skirtumo, tada lygtis bus supaprastinta:

h tr \u003d p 1 / γ - p 2 / γ \u003d (p 1 - p 2) / γ.



Darcy-Weisbach formulė vienodam skysčio judėjimui vamzdžiuose

Tolygiai judant skysčiui vamzdžiuose, slėgio praradimas dėl trinties per ilgį h l nustatomas pagal Darcy-Weisbach formulė, kuris galioja apvaliems vamzdžiams tiek turbulentinėmis, tiek laminarinėmis sąlygomis. Ši formulė nustato ryšį tarp slėgio nuostolių h l, vamzdžio skersmens d ir vidutinio skysčio srauto greičio v:

h l \u003d λ v 2/2gd,

kur:
λ – hidraulinės trinties koeficientas (be matmenų);
g yra laisvojo kritimo pagreitis.

Savavališko profilio vamzdžiams Darcy-Weisbach formulėje naudojama sumažinto arba lygiaverčio vamzdžio skersmens, atsižvelgiant į apskritą atkarpą, koncepcija.

Kai kuriais atvejais taip pat naudojama formulė

h l \u003d v 2 l/C 2 R ,

kur:
v yra vidutinis srauto greitis vamzdyje arba kanale;
l yra vamzdžio arba kanalo sekcijos ilgis;
R – skysčio srauto hidraulinis spindulys;
SU - Chezy koeficientas, siejamas su hidraulinės trinties koeficientu λ priklausomybė: С = √(8g/λ) arba λ = 8g/С 2 . Shezy koeficiento matmuo yra m 1/2 / s.

Norint nustatyti hidraulinės trinties koeficientą įvairiais skysčių judėjimo režimais ir sąlygomis, įvairių būdų ir empirinės priklausomybės, ypač grafikas I. I. Nikuradze, P. Blasiaus formulės, F. A. Ševeleva (lygiems vamzdžiams) ir B. L. Shifrinson (nelygiems vamzdžiams). Visi šie metodai ir priklausomybės yra pagrįsti Reynoldso kriterijumi Re ir atsižvelgia į vamzdžio paviršiaus būklę.

Galvos praradimas dėl vietinio pasipriešinimo

Kaip jau minėta aukščiau, vietiniai slėgio nuostoliai atsiranda dėl vietinių varžų, kurias sukuria vamzdynų tinklų jungiamosios detalės, jungiamosios detalės ir kita įranga, įveikimas, taip pat skysčio srauto krypties pasikeitimas. (vamzdžių posūkiai, alkūnės ir kt.).
Vietinis pasipriešinimas sukelia skysčio greičio dydžio arba krypties pasikeitimą tam tikrose dujotiekio atkarpose, o tai yra susiję su papildomų slėgio nuostolių atsiradimu.
Judėjimas vamzdyne esant vietiniam pasipriešinimui yra netolygus.

Galvos praradimas vietinėse varžose h m (vietinis galvos praradimas) apskaičiuoti pagal Weisbach formulę:

h m = ξ v 2/2 g

kur:
v yra vidutinis greitis ruože, esančiame pasroviui už vietinės varžos;
ξ yra bematis vietinės varžos koeficientas, nustatomas kiekvienam vietinės varžos tipui pagal atskaitos lenteles arba nustatytas priklausomybes.

galvos praradimas staigiai išsiplėtus dujotiekiui rasti pagal Bordos formulę:

h v.r. =( v 1 – v 2) 2 \2g = ξ int.r.1 v 1 2 /2g = ξ int.r.2 v 22/2g,

kur v 1 ir v 2 – vidutiniai tėkmės greičiai prieš ir po plėtimosi.

Staigiai susiaurėjus dujotiekiui vietinio pasipriešinimo koeficientas nustatomas pagal formulę:

h ext. = (1/ε - 1) 2,

kur ε yra srovės suspaudimo laipsnis, apibrėžiamas kaip suspaustos srovės skerspjūvio ploto siaurame vamzdyne ir siauro vamzdžio skerspjūvio ploto santykis. Šis koeficientas priklauso nuo srauto suspaudimo laipsnio n = S 2 /S 1 ir jį galima rasti pagal A. D. Altshulo formulę: ε = 0,57 + 0,043/(1,1 - n) .
Koeficiento ε reikšmė dujotiekių skaičiavimuose paimta iš atskaitos lentelių.

Staigiai pasukus vamzdį apvalus skerspjūvis kampu α pasipriešinimo koeficientą galima rasti pagal formulę:

ξ α = ξ 90˚ (1 – cos α),

kur:
ξ 90˚ - pasipriešinimo koeficiento vertė 90˚ kampui, kuri tiksliams skaičiavimams paimama iš etaloninių lentelių, o apytiksliai skaičiavimams laikoma lygi ξ 90˚ = 1.

Panašūs metodai naudojami parenkant ar skaičiuojant varžos koeficientus ir kitoms vietinėms varžoms – staigiam ar laipsniškam dujotiekio susiaurėjimui (išsiplėtimui), posūkiams, vamzdžių įvadams ir išvadams, diafragmoms, fiksavimo įtaisams, suvirinimo siūlėms ir kt.

Aukščiau pateiktos formulės taikomos turbulentiniam skysčių su dideliu Reinoldso skaičiumi srautui, kai skysčio klampumo poveikis yra nereikšmingas.
Perkeliant skystį su mažais Reinoldso skaičiais (laminarinis režimas) vietinių varžų reikšmė mažai priklauso nuo varžos ir srauto greičio geometrinių charakteristikų, jų reikšmę labiau įtakoja Reinoldso skaičiaus reikšmė.
Tokiais atvejais vietiniams varžos koeficientams apskaičiuoti taikomas A. D. Altshulo formulė:

ξ \u003d A / Re + ξ ekvivalentas,

kur:
A - nesuvaržyta dujotiekio atkarpa;
ξ ekvivalentas - vietinio pasipriešinimo koeficiento reikšmės kvadratinėje srityje;
Re yra Reinoldso skaičius.

A parametro ir kai kurių vietinių varžų reikšmės pateiktos etaloninėse lentelėse ir naudojamos praktiniams vamzdynų, skirtų skysčiams judėti laminariniu režimu, skaičiavimams.



Bendra informacija apie hidraulinius nuostolius

Klampaus skysčio judėjimą lydi energijos nuostoliai.

Specifiniai energijos nuostoliai(slėgis), arba hidrauliniai nuostoliai, priklauso nuo kanalo formos, dydžio, srauto greičio ir skysčio klampumo.

Daugeliu atvejų hidrauliniai nuostoliai yra proporcingi skysčio srauto greičiui iki antrosios galios arba dinaminei galvutei ir nustatomi pagal išraišką

kur yra nuostolio koeficientas; V- vidutinis greitis ruože.

Nuostoliai slėgio vienetais

. (4.2)

Hidraulinės energijos nuostoliai paprastai skirstomi į vietinius nuostolius ir trinties nuostolius išilgai.

Vietiniai energijos nuostoliai dėl vadinamojo vietinio hidraulinio pasipriešinimo, t.y. vietiniai kanalo formos ir dydžio pokyčiai, sukeliantys srauto deformaciją. Skysčiui tekant vietinėmis varžomis, keičiasi jo greitis ir atsiranda sūkuriai.

Vietinės varžos pavyzdys yra vožtuvas (4.1 pav.).

Vietiniai slėgio nuostoliai nustatomi pagal Weisbach formulę

čia V yra vidutinis greitis vamzdyje; -vietinio pasipriešinimo koeficientas.

Trinties praradimas išilgai - tai energijos nuostoliai, atsirandantys tiesiuose pastovaus skerspjūvio vamzdžiuose ir didėjantys tiesiogiai proporcingai vamzdžio ilgiui (4.2 pav.).

Svarstomi nuostoliai atsiranda dėl vidinės skysčio trinties vamzdžiuose. Trinties galvutės nuostoliai nustatomi pagal Darcy-Weisbach formulę

čia λ yra hidraulinės trinties išilgai ilgio koeficientas arba Darcy koeficientas; l- vamzdyno ilgis; d- jo skersmuo; V yra vidutinis skysčio srauto greitis.

Dėl laminarinis srautas skysčio judėjimas apvaliame vamzdyje, koeficientas nustatomas pagal teorinę formulę

kur yra Reinoldso skaičius.

At turbulentinis režimas koeficientas priklauso nuo Reinoldso skaičiaus Re ir santykinis šiurkštumas (-ekvivalentinis šiurkštumas) ir nustatomas empirinėmis formulėmis.

srityje hidrauliškai lygūs vamzdžiai 4000 tie. esant mažam greičiui ir Reinoldso skaičiams, Darcy koeficientas priklauso tik nuo Reinoldso skaičiaus, ir jis nustatomas pagal Blasius formulę

. (4.7)

V pereinamasis regionas () Darcy koeficientą veikia šiurkštumas ir Reinoldso skaičius. Šioje srityje skaičiavimams naudojama Altshul formulė

. (4.8)

V kvadratinio pasipriešinimo plotas(hidrauliškai grubių vamzdžių plotai) koeficientą galima rasti naudojant Šifrinsono formulę

. (4.9)

vietinis pasipriešinimas

Vietinėse hidraulinėse varžose, pasikeitus srauto konfigūracijai trumpose atkarpose, keičiasi skysčio greitis pagal dydį ir kryptį, taip pat susidaro sūkuriai. Tai yra vietinių slėgio nuostolių priežastis. Vietinės varžos yra kanalo išsiplėtimas ir susiaurėjimas, posūkis, diafragma, vožtuvas, maišytuvas ir kt. (4.3 pav.).

Vidinis vamzdžio skersmuo lemia leistiną skysčio transportavimo srautą. Energijos nuostolius gali sukelti keli veiksniai (hj vamzdynų sistemose. Svarbiausias veiksnys yra srauto trintis į vamzdžio sieneles. Skysčio srautas atsiranda dėl klampių šlyties įtempių pačiame skystyje ir trinties į vamzdžio sieneles. Ši trintis atsiranda išilgai per visą vamzdžio ilgį, todėl linijos energija (EGL) ir hidraulinė linija (HGL) krenta tiesiškai tekėjimo kryptimi. Dėl šio pasipriešinimo vamzdyje tekėjimui vamzdyne sumažėja slėgis arba slėgio kritimas. sistema.

Vietinės padidėjusios turbulencijos ir kioskų zonos taip pat yra energijos nuostolių priežastys. Stingimus sukelia vožtuvai, matuokliai ar jungiamosios detalės ir jie paprastai vadinami vietiniais nuostoliais. Svarstant trinties nuostolius dujotiekio sistemoje, vietiniai nuostoliai dažnai nepaisomi ir į juos neatsižvelgiama atliekant analizę. Tuo pačiu metu didelėse vamzdynų sistemose terminas „vietiniai nuostoliai“ dažnai vartojamas, nepaisant sunkumų juos apibrėžti. Tačiau reikia atsižvelgti į tai, kad vamzdynų sistemose, kurios sudaro didelę vožtuvų ir jungiamųjų detalių dalį visame vamzdžio ilgyje, šie „vietiniai nuostoliai“ gali labai paveikti srauto energiją arba slėgio nuostolius.

3.2.6. Skysčių srautas esant slėgiui

Yra daug lygčių, skirtų apytiksliai trinties nuostoliams apskaičiuoti, kai skystis teka slėginiais vamzdžiais. Plastikinių vamzdynų sistemoms dažniausiai naudojamos šios:
Darcy-Weisbach lygtis;
Hazen-Williams lygtis.

Darcy-Weisbach lygtis taikoma platesniam skysčių diapazonui nei Hazen-Williams lygtis. Jis pagrįstas empiriniais duomenimis ir daugiausia naudojamas sistemos modeliavimui. Kiekvienoje iš šių lygčių trinties nuostoliai yra skysčio greičio ir vamzdžio pasipriešinimo skysčio judėjimui funkcija, išreikšta vamzdžio sienelių šiurkštumu.

Tipinės vamzdžių sienelių šiurkštumo vertės, reikalingos skaičiuojant naudojant šias lygtis, pateiktos lentelėje. 3.3. Šios vertės gali priklausyti nuo gamintojo, taip pat nuo vamzdžio kokybės, jo tarnavimo laiko ir daugelio kitų veiksnių.

Darcy-Weisbach lygtis. Trinties nuostoliai vamzdynų sistemose yra sudėtinga sistemos geometrijos, skysčio savybių ir sistemos srauto funkcija. Tyrimai parodė, kad daugumos srauto režimų (tiek laminarinio, tiek turbulentinio) slėgio nuostoliai yra tiesiogiai proporcingi srauto greičio kvadratui. Tai leido gauti Darcy-Weisbach lygtį slėgio nuostoliams trinties metu apskaičiuoti:

Darcy-Weisbach lygtis dažniausiai naudojama apskaičiuojant trinties nuostolius tekantiems skysčiams visiškai užpildytuose vamzdžiuose. Tai patvirtina trinties nuostolių priklausomybę nuo dujotiekio skersmens, vamzdžio sienelės šiurkštumo, skysčio klampumo ir jo greičio. Darcy-Weisbach lygtis yra bendroji lygtis, kuri vienodai tinka bet kokiam srauto greičiui ir bet kokiam nesuspaudžiamam skysčiui.
Darcy-Weisbach lygtis apima hidraulinio pasipriešinimo koeficientą, kuris, priklausomai nuo Reinoldso skaičiaus, yra funkcija, susijusi su vamzdžio sienelės šiurkštumu, greičiu ir skysčio kinematine klampa. Skysčio srautas vamzdžiuose gali būti laminarinis, turbulentinis arba pereinamasis tarp šių dviejų pagrindinių režimų. Esant laminariniam srautui (Reynoldso skaičius mažesnis nei 2000), slėgio nuostoliai yra proporcingi greičiui, o ne jo kvadratui, ir nepriklauso nuo vamzdžio sienelių šiurkštumo. Šiuo atveju hidraulinio pasipriešinimo koeficientas apskaičiuojamas pagal formulę

Laminarinis srautas gali būti laikomas plonų sluoksnių, kurie slysta vienas ant kito nesimaišydami, judėjimas. Srauto greitis turi didžiausią vertę centre, o ant vamzdžio sienelių jis yra lygus nuliui.
Turbulentinio srauto srityje neįmanoma gauti hidraulinio pasipriešinimo koeficiento analitinės išraiškos, kokios gauname laminariniam srautui. Dauguma duomenų, kurie yra nustatyti turbulentinio srauto koeficientui apibūdinti, yra gauti iš eksperimento. Taigi, esant turbulentiniam srautui (Reynoldso skaičius viršija 4000), hidraulinio pasipriešinimo koeficientas priklauso ir nuo vamzdžio sienelių šiurkštumo, ir nuo Reinoldso skaičiaus. Colebrook (1939) turbulentiniam srautui nustatė apytikslį žiedinių vamzdžių hidraulinio pasipriešinimo koeficiento ryšį. Šią priklausomybę gerai apibūdina šios išraiškos:

Gerai žinoma Moody diagrama, kuri yra diagrama dvigubomis logaritminėmis koordinatėmis, kurioje brėžiamas Colebrook koreliacijos ryšys, yra hidraulinės trinties koeficiento priklausomybė nuo Reinoldso koeficiento, pateikiama kaip koeficientas / = 64 / Re, būdingas laminarinis srautas.

Priimtinos turbulentinės srovės trinties koeficiento vertės gali būti nustatytos naudojant Swamme ir Jain lygtį, kuri daugelyje naudojamų srauto regionų duoda 1% tikslesnius rezultatus nei Colebrook lygtis.

Hazen-Williams lygtis. Hazen-Williams lygtis pirmiausia naudojama projektuojant ir analizuojant slėginio vandens vamzdynus vandens paskirstymo sistemose. Ši lygtis buvo eksperimentiškai gauta vandeniui, tačiau daugeliu atvejų ji gali būti naudojama ir kitiems skysčiams. Hazen-Williams formulė vandeniui esant 60°F gali būti taikoma skysčiams, kurių kinematinė klampa panaši į vandens. Ši lygtis apima šiurkštumo koeficientą Cw, kuris yra konstanta įvairiuose turbulentinių srautų diapazonuose, ir daugybę empirinių konstantų.

Kad būtų lengviau įvertinti skysčių srautus plastikiniuose vamzdynuose, svarstoma kita Hazen-Williams lygties versija:

kur AP yra trinties slėgio nuostoliai 100 pėdų vamzdžio.

Lentelėje. 3.3 rodomos įvairių tipų vamzdžių Sk vertės.
Vamzdžių dydžio projektuotojas turėtų naudoti gerai patvirtintus duomenis, kurie labiau tinka projektavimo sąlygoms. Šie pasiūlymai gali padėti:
didėjant vamzdžio skersmeniui, srautas ir slėgio nuostoliai mažėja;
sumažėjus vamzdžio skersmeniui, didėja srautas ir slėgio nuostoliai;
tuo pačiu greičiu didelio skersmens vamzdžiuose slėgio nuostoliai dėl trinties yra mažesni.
Maži nuostoliai. Kai skystis teka per uždaromuosius įtaisus ar jungiamąsias detales, atsiranda vietinių varžų nuostoliai, vadinamieji „maži nuostoliai“. Maži nuostoliai vamzdžiuose susidaro tose vietose, dėl kurių padidėja turbulencija, o tai prisideda prie energijos nuostolių ir hidraulinio komponento sumažėjimo tame vamzdyno sistemos taške. Energijos nuostolių amplitudė priklauso nuo jungiamosios detalės formos. Galvos arba energijos nuostoliai gali būti išreikšti naudojant vietinius vožtuvų ir jungiamųjų detalių pasipriešinimo koeficientus. Tada Darcy-Weisbach lygtis įgauna tokią formą:

Lygtį (3.10) galima transformuoti, kad būtų išreikštas trinties slėgio nuostolis per visą srauto ilgį:

Tipinės jungiamųjų detalių vietinio pasipriešinimo koeficiento K reikšmės pateiktos lentelėje. 3.5.
Lentelėje. 3.6 rodomi termoplastinių vamzdynų linijų jungiamųjų detalių ir vožtuvų slėgio nuostoliai.

Visi hidraulinės energijos nuostoliai skirstomi į du tipus: trinties nuostolius vamzdynų ilgiu (aptarta 4.3 ir 4.4 punktuose) ir vietinius nuostolius, atsirandančius dėl tokių vamzdynų elementų, kuriuose dėl kanalo dydžio ar konfigūracijos pasikeitimo pasikeičia srauto greitis, atsiskiria srautas nuo sienelių kanalų ir susidaro sūkuriai.

Paprasčiausias vietines hidraulines varžas galima suskirstyti į išsiplėtimus, susiaurėjimus ir kanalų posūkius, kurių kiekvienas gali būti staigus arba laipsniškas. Sudėtingesni vietinio pasipriešinimo atvejai yra išvardytų paprasčiausių pasipriešinimų junginiai arba jų deriniai.

Panagrinėkime paprasčiausias vietines varžas turbulentinio srauto režime vamzdyje.

1. Staigus kanalo išsiplėtimas. Slėgio (energijos) praradimas staigiai išsiplėtus kanalui išeikvojamas sūkurių susidarymui, susijusiam su srauto atskyrimu nuo sienelių, t.y. išlaikyti besisukantį nenutrūkstamą skystų masių judėjimą su nuolatiniu jų atsinaujinimu.

Ryžiai. 4.9. Staigus vamzdžio išsiplėtimas

Staigiai išsiplėtus kanalui (vamzdžiui) (4.9 pav.), srautas nutrūksta nuo kampo ir plečiasi ne staiga, kaip kanalas, o palaipsniui, o žiedinėje erdvėje tarp srauto ir vamzdžio sienelės susidaro sūkuriai, kurios yra energijos nuostolių priežastis. Apsvarstykite dvi srauto dalis: 1-1 - vamzdžio išsiplėtimo plokštumoje ir 2-2 - toje vietoje, kur srautas išsiplėtęs užpildė visą plataus vamzdžio atkarpą. Kadangi srautas tarp nagrinėjamų sekcijų plečiasi, jo greitis mažėja, o slėgis didėja. Todėl antrasis pjezometras rodo aukštį ties Δ H didesnis nei pirmasis; bet jei šioje vietoje slėgio nuostolių nebūtų, tai antrasis pjezometras rodytų didesnį aukštį kitu h ext. Šis aukštis yra vietinis išsiplėtimo slėgio nuostolis, kuris nustatomas pagal formulę:

kur S1, S2- skerspjūvio plotas 1-1 ir 2-2 .

Ši išraiška yra pasekmė Bordos teoremos, kuri teigia, kad galvos praradimas staigaus kanalo išsiplėtimo metu yra lygus greičio galvutei, nustatytai pagal greičių skirtumą

Išraiška (1 - S 1 /S 2) 2 žymimas graikiška raide ζ (zeta) ir vadinamas nuostolių koeficientu, taigi

2. Laipsniškas kanalo platinimas. Palaipsniui besiplečiantis vamzdis vadinamas difuzoriumi (4.10 pav.). Greičio srautą difuzoriuje lydi jo mažėjimas ir padidėjimas, taigi ir skysčio kinetinės energijos pavertimas slėgio energija. Difuzoriuje, kaip ir staigaus kanalo išsiplėtimo atveju, pagrindinis srautas atskiriamas nuo sienelės ir susidaro sūkurys. Šių reiškinių intensyvumas didėja didėjant difuzoriaus išsiplėtimo kampui α.

Ryžiai. 4.10. Laipsniškas vamzdžio plėtimas

Be to, difuzoriuje yra įprasti dyglių nuostoliai, panašūs į tuos, kurie atsiranda pastovaus skerspjūvio vamzdžiuose. Bendras slėgio nuostolis difuzoriuje laikomas dviejų terminų suma:

kur h tr ir h ext- slėgio praradimas dėl trinties ir plėtimosi (sūkurio susidarymas).

kur n = S 2 /S 1 = (r 2 /r 1) 2 - difuzoriaus išsiplėtimo laipsnis. Išsiplėtimo galvos praradimas h ext yra tokio paties pobūdžio kaip ir staigaus kanalo išsiplėtimo atveju

kur k- minkštinimo koeficientas, kai α= 5…20°, k= sinα.

Atsižvelgiant į tai, bendras galvos praradimas gali būti perrašytas taip:

iš kur difuzoriaus pasipriešinimo koeficientas gali būti išreikštas formule

Ryžiai. 4.11. ζ skirtumo priklausomybė nuo kampo

Funkcija ζ = f(α) turi minimumą prie tam tikros palankiausios optimalios kampo α vertės, kurios optimalią vertę lemia tokia išraiška:

Į šią formulę pakeičiant λ T=0,015…0,025 ir n= 2…4 gauname α didmeninė prekyba= 6 (4.11 pav.).

3. staigus kanalo susiaurėjimas. Šiuo atveju slėgio nuostoliai atsiranda dėl srauto trinties prie įėjimo į siauresnį vamzdį ir nuostolių dėl sūkurio susidarymo, kurie susidaro žiede aplink susiaurėjusią srauto dalį (4.12 pav.).

Ryžiai. 4.12. Staigus vamzdžio susiaurėjimas

4.13. painiava

Bendras slėgio nuostolis nustatomas pagal formulę;

kur susiaurėjimo pasipriešinimo koeficientas nustatomas pagal pusiau empirinę I.E. formulę. Idelčikas:

kurioje n \u003d S 1 / S 2- susiaurėjimo laipsnis.

Kai vamzdis išeina iš didelio rezervuaro, kada galima manyti, kad S2/S1= 0, o jei įvesties kampas neapvalinamas, pasipriešinimo koeficientas ζ siauras = 0,5.

4. Laipsniškas kanalo susiaurėjimas. Ši vietinė varža yra kūginis susiliejantis vamzdis, vadinamas painiava(4.13 pav.). Skysčio srautą maišytuve lydi greičio padidėjimas ir slėgio sumažėjimas. Panaikinime yra tik trinties nuostoliai

kur painiavos pasipriešinimo koeficientas nustatomas pagal formulę

kurioje n \u003d S 1 / S 2- susiaurėjimo laipsnis.

Nedidelis sūkurio susidarymas ir srauto atskyrimas nuo sienos kartu su srauto suspaudimu atsiranda tik maišytuvo išleidimo angoje kūginio vamzdžio sankryžoje su cilindriniu. Suapvalinus įėjimo kampą, galima žymiai sumažinti galvos nuostolius prie įėjimo į vamzdį. Vadinamas maišytuvas su sklandžiai susijungiančiomis cilindrinėmis ir kūginėmis dalimis antgalis(4.14 pav.).

Ryžiai. 4.14. Purkštukas

5. Staigus vamzdžio lenkimas (alkūnė). Tokio tipo vietinis pasipriešinimas (4.15 pav.) sukelia didelius energijos nuostolius, nes jame vyksta srauto atsiskyrimas ir sūkurių susidarymas, ir kuo didesni nuostoliai, tuo didesnis kampas δ. Galvos praradimas apskaičiuojamas pagal formulę

kur ζ skaičiuoti- apskrito skerspjūvio kelio pasipriešinimo koeficientas, kuris nustatomas pagal grafiką priklausomai nuo kelio kampo δ (4.16 pav.).

6. Laipsniškas vamzdžio lenkimas (suapvalinta alkūnė arba alkūnė). Posūkio lygumas žymiai sumažina sūkurių susidarymo intensyvumą, taigi ir pasipriešinimą atitraukimui, palyginti su alkūne. Šis sumažėjimas yra didesnis, tuo didesnis santykinis lenkimo spindulys R/d