2.1 Потери при изменении сечения трубопровода

Внезапное расширение трубопровода от диаметра d₁ до диаметра d₂ приводит к тому, что поток, выходящий из узкой трубы, не сразу заполняет все поперечное сечение широкой трубы. Жидкость в месте расширения отрывается от стенок и дальше движется в виде свободной струи, отделенной от стальной жидкости поверхностью раздела. Поверхность раздела неустойчива, на ней возникают вихри, в результате чего происходит перемешивание транзитной струи с окружающей жидкостью. Струя постепенно расширяется и на некотором расстоянии l от начала расширения заполняет все сечение широкой трубы. Из-за отрыва потока и связанного с этим вихреобразования происходят значительные потери напора.

Внезапное сужение трубопровода также приводит к потерям напора. Многочисленные опыты показывают, что струя сжимается на некотором удалении от места внезапного сужения, приобретая наименьшую площадь сечения ω_сж. Сжатие струи объясняется тем, что частицы жидкости, достигнув края отверстия, продолжают и дальше двигаться в прежнем направлении, лишь постепенно отклоняясь от него. После минимального сечения струя постепенно расширяется, занимая всю площадь новой трубы. Происходящие потери в большей степени связаны с участком расширения струи.

Постепенное расширение трубопровода сопровождается потерями напора, но они значительно меньше, чем при внезапном. Плавно расширяющийся участок трубы называется диффузором. При течении жидкости в нем происходит постепенное уменьшение скорости и увеличение давления. Кинетическая энергия частиц жидкости уменьшается как вдоль диффузора, так и в направлении к стенкам. Слои жидкости у стенок имеют столь малую кинетическую энергию, что не могут преодолевать нарастающее давление, останавливаются и начинают двигаться обратно. При столкновении основного потока с этими обратными токами возникает отрыв потока от стенок и вихреобразования. Эти явления и связаны с потерями напора. Интенсивность этих явлений возрастает с увеличением угла расширения диффузора.

Постепенное сужение трубопровода приводит к росту скорости потока и уменьшению давления. Постепенно суживающаяся труба называется конфузором. Так как жидкость движется от большего давления к меньшему, то причин для срыва потока в конфузоре меньше. Отрыв потока от стенок имеет место на выходе из конфузора в месте соединения конической трубы с цилиндрической. Поэтому сопротивление конфузора всегда меньше, чем сопротивление диффузора с теми же геометрическими характеристиками. Потери напора в конфузоре также складываются из потерь на постепенное сужение и потерь на трение.

2.2 Потери при изменении направления потока

Рассмотрим течение потока жидкости на повороте трубопровода. В результате искривления потока на вогнутой стороне внутренней поверхности трубы давление больше, чем на выпуклой. В связи с этим создаются различия в скорости и направлении по течению, способствующие отрыву потока от стенок. Это приводит сначала к сужению струи, а затем к ее расширению. При этом возникают значительные потери напора.

П ри резком повороте трубы (рисунок 2.1), который называется простым или острым коленом (незакругленное колено), потери напора особенно велики. Коэффициент сжатия струи  зависит от величины угла поворота . Так, например, при =0 =1, а при =90 (прямоугольное колено) =0,5. То есть ширина вихря составляет около половины ширины трубы. Для последнего случая получаем:

(2.4)