Местные потери напора.
Все гидравлические потери энергии делятся на два типа: потери на трение по длине трубопроводов (рассмотрены в п.4.3 и 4.4) и местные потери, вызванные такими элементами трубопроводов, в которых вследствие изменения размеров или конфигурации русла происходит изменение скорости потока, отрыв потока от стенок русла и возникновение вихреобразования.
Простейшие местные гидравлические сопротивления можно разделить на расширения, сужения и повороты русла, каждое из которых может быть внезапным или постепенным. Более сложные случаи местного сопротивления представляют собой соединения или комбинации перечисленных простейших сопротивлений.
Рассмотрим простейшие местные сопротивления при турбулентном режиме течения в трубе.
1. Внезапное расширение русла. Потеря напора (энергии) при внезапном расширении русла расходуется на вихреобразование, связанное с отрывом потока от стенок, т.е. на поддержание вращательного непрерывного движения жидких масс с постоянным их обновлением.
Рис. 1.9 Внезапное расширение трубы
При внезапном расширении русла (трубы) (рис. 1.9) поток срывается с угла и расширяется не внезапно, как русло, а постепенно, причем в кольцевом пространстве между потоком и стенкой трубы образуются вихри, которые и являются причиной потерь энергии. Рассмотрим два сечения потока: 1-1 - в плоскости расширения трубы и 2-2 - в том месте, где поток, расширившись, заполнил все сечение широкой трубы. Так как поток между рассматриваемыми сечениями расширяется, то скорость его уменьшается, а давление возрастает. Поэтому второй пьезометр показывает высоту на ΔH большую, чем первый; но если бы потерь напора в данном месте не было, то второй пьезометр показал бы высоту большую еще на hрасш. Эта высота и есть местная потеря напора на расширение, которая определяется по формуле:
где S1, S2 - площадь поперечных сечений 1-1 и 2-2.
Это выражение является следствием теоремы Борда, которая гласит, что потеря напора при внезапном расширении русла равна скоростному напору, определенному по разности скоростей
Выражение (1 - S1/S2) 2 обозначается греческой буквой ζ (дзета) и называется коэффициентом потерь, таким образом
2. Постепенное расширение русла. Постепенно расширяющаяся труба называется диффузором (рис.1.10). Течение скорости в диффузоре сопровождается ее уменьшением и увеличением давления, а следовательно, преобразованием кинетической энергии жидкости в энергию давления. В диффузоре, так же как и при внезапном расширении русла, происходит отрыв основного потока от стенки и вихреобразования. Интенсивность этих явлений возрастает с увеличением угла расширения диффузора α.
Рис. 1.10. Постепенное расширение трубы
Кроме того, в диффузоре имеются и обычные потери на терние, подобные тем, которые возникают в трубах постоянного сечения. Полную потерю напора в диффузоре рассматривают как сумму двух слагаемых:
где hтр и hрасш - потери напора на трение и расширение (вихреобразование).
где n = S2/S1 = (r2/r1) 2 - степень расширения диффузора. Потеря напора на расширение hрасш имеет ту же самую природу, что и при внезапном расширении русла
где k - коэффициент смягчения, при α= 5…20°, k = sinα.
Учитывая это полную потерю напора можно переписать в виде:
откуда коэффициент сопротивления диффузора можно выразить формулой
Рис. 1.11. Зависимость ζдиф от угла
Функция ζ = f (α) имеет минимум при некотором наивыгоднейшем оптимальном значении угла α, оптимальное значение которого определится следующим выражением:
При подстановке в эту формулу λТ =0,015…0,025 и n = 2…4 получим αопт = 6 (рис. 1.11).
3. Внезапное сужение русла. В этом случае потеря напора обусловлена трением потока при входе в более узкую трубу и потерями на вихреобразование, которые образуются в кольцевом пространстве вокруг суженой части потока (рис. 1.12).
Рис. 1.12. Внезапное сужение трубы