Co ovlivňuje ztrátu tlaku, když se tekutina pohybuje potrubím?

Hydraulika je věda o zákonech pohybu a rovnováhy tekutin a metodách aplikace těchto zákonů při řešení konkrétních technických problémů. Hydraulika je spojena s obory vědy a techniky, které se zabývají tvorbou, výzkumem a používáním různých hydraulických strojů: čerpadel, turbín, hydraulických převodovek a hydraulických pohonů.

Slovo hydraulika pochází z řeckého hydro (voda) a aulos (potrubí). V současné době se tento koncept výrazně rozšířil: hydraulika se zabývá studiem jakékoli tekutiny pohybující se nejen v potrubí.

Na počátku svého vývoje byla hydraulika teoretická věda – matematická mechanika tekutin nebo hydromechanika. Ale metody matematické mechaniky tekutin neumožňovaly řešit řadu praktických problémů. V tomto ohledu se začala rozvíjet praktická věda – technická mechanika tekutin, která řeší inženýrské problémy zjednodušením hydraulických jevů, ale se zavedením korekčních faktorů získaných jako výsledek experimentu do teoretických rovnic.

V současné době se musíme potýkat s problémy, ve kterých se současně používají metody teoretické a technické mechaniky tekutin. Rozdíl v metodách těchto dvou oborů téže vědy se proto postupně vytrácí. Moderní hydraulika je samostatný, vyspělý obor znalostí, který nachází uplatnění v různých oblastech techniky.

Turbulentní proudění je doprovázeno intenzivním promícháváním proudů a vrstev kapaliny za vzniku velkého množství velkých i malých vírů. Jednotlivé částice kapaliny se pohybují chaoticky a prakticky žádná z nich nesleduje trajektorii druhé.

Také proudnice za podmínek turbulentního proudění jsou chaotické (obr. 1, а). Na Obr. 1, а Je vidět, že jedním bodem (například bodem C) procházejí dvě proudové čáry, proto v tomto bodě byly v různých časech různé rychlosti.

Pokud použijete speciální zařízení pro záznam změny v projekci rychlosti v_c na ose x potrubí v tomto okamžiku získáme pulzující závislost (obr. 1, б). Praxe ukazuje, že při turbulentním proudění mají tlak a další parametry také pulzující charakter, tzn. fyzikální parametry v turbulentním proudění jsou proměnné v čase, proto turbulentní proudění je nestacionární proudění.

Z analýzy závislostí na Obr.б, která má daný tvar v případě konstantního průtoku kapaliny potrubím v čase, vyplývá, že změna průmětu rychlosti v_Cx se vyskytuje relativně k nějaké průměrné hodnotě konstanty v čase. Podobně můžeme za těchto podmínek zprůměrovat všechny ostatní parametry turbulentního proudění. Proto bude v budoucnu turbulentní proudění s konstantním průtokem potrubím v průběhu času konvenčně považováno za ustálené s parametry rovnými odpovídajícím průměrným hodnotám.

Při turbulentním proudění dochází vlivem míchání proudů a výměny kapalných částic mezi sousedními vrstvami k vyrovnání rychlostí ve střední části proudění (přímka В na obr. 1в), a u stěny naopak dochází k prudké změně rychlostí, výraznější než u laminárního proudění. V obecném případě distribuční diagram průměrných rychlostí v turbulentním proudění připomíná obdélník (nebo lichoběžník), který je typický pro ideální tekutinu.

Coriolisův koeficient a_Т s přihlédnutím k nerovnoměrnému rozložení rychlostí po průřezu proudění je v turbulentním režimu výrazně menší než 2 a blíží se 1. Při řešení praktických úloh pro turbulentní proudění a_Т = 1.

Pro odhad hydraulických tlakových ztrát za podmínek turbulentního proudění se také používá Darcyho vzorec:

Ztrátový koeficient (dále) je však určován velmi složitými procesy probíhajícími v turbulentním proudění a jeho hodnota závisí nejen na Reynoldsově čísle (jako u laminárního proudění), ale také na drsnosti stěn potrubí.

Při zvažování procesů turbulentního proudění v potrubí je třeba věnovat zvláštní pozornost proudům kapaliny, které se pohybují přímo u stěn. Jak vyplývá z analýzy diagramu rozložení rychlosti (čára B na obr.в), u stěn jsou jejich hodnoty malé. Podél stěny se proto vytváří speciální vrstva s nízkými rychlostmi, která se obvykle nazývá viskózní podvrstva.

Pro zvážení zákonů odporu při turbulentním proudění tekutiny v potrubí je vhodné rozdělit celý rozsah změn Re (od 4000 a výše) do tří charakteristických oblastí.

V první charakteristické oblasti, kdy jsou rychlosti proudění tekutiny relativně nízké (Reynoldsova čísla jsou také malá), viskózní podvrstva zcela skryje drsnost stěny, takže drsnost nemá praktický vliv na odpor vůči pohybu. Tato oblast se nazývá oblast hydraulicky hladkých trubek.

Jak se zvyšuje rychlost pohybu tekutiny (zvyšují se i čísla Re), tloušťka viskózní podvrstvy se začíná zmenšovat a ve druhé charakteristické oblasti se přes ni objevují hrbolky hrubé stěny, takže drsnost začíná ovlivňovat odolnost vůči tekutině. hnutí.

Ve třetí charakteristické oblasti, která se vyskytuje při vysokých rychlostech proudění tekutiny (a velkých hodnotách Re), má drsnost stěny rozhodující vliv na odpor proudění.

Je třeba si uvědomit, že hranice oddělující vyznačené charakteristické oblasti nemají jasně definovaný charakter a závisí nejen na Reynoldsově čísle, ale také na stupni drsnosti stěn.

Po analýze procesů probíhajících v potrubí při turbulentním proudění je zřejmá obtížnost zohlednění všech popsaných jevů ve vypočítaných závislostech. Ve skutečnosti až dosud neexistuje žádná dostatečně přísná a přesná teorie pro turbulentní proudění. Proto je jejich výpočet založen na Darcyho vzorci a různých experimentálních datech, které umožňují určit hodnoty koeficientu tlakové ztráty v důsledku tření v_т.

Tato experimentální data jsou prezentována v různých referenčních knihách ve formě tabulek, grafů nebo empirických vzorců.

Jeden z nejjednodušších empirických vztahů pro výpočet_т je vzorec navržený A.D. Altshulem:

kde? — ekvivalentní (podmíněná) výška tuberkulů drsnosti.

Altschulův vzorec je univerzální a lze jej aplikovat na kteroukoli ze tří charakteristických oblastí turbulentního proudění. Ale pro oblast hydraulicky hladkých trubek je jednodušší použít vzorec Blasius

Při laminárním proudění se tlaková ztráta zvyšuje úměrně s průtokem. Tato závislost je demonstrována na Obr. 1, г (přímka OA). V přechodové oblasti (AB na obr. г) proudění se mění z laminárního na turbulentní a je pozorován určitý skok v odporu. Dále při turbulentním proudění dochází ke strmějšímu nárůstu ztrát?_tr, jehož míra závislosti na průtoku se blíží kvadratické.

V celém rozsahu turbulentního proudění je tedy křivka hydraulické tlakové ztráty v závislosti na průtoku kvadratická parabola nebo jí blízká.