13.Характер движения потоков. Критерий Рейнольдса

Из гидродинамики известно, что существуют два режима движения потока: ламинарный и турбулентный. При ламинарном режиме частицы жидкости движутся упорядочено. Их траектории –прямые линии. Наблюдается при малых скоростях. Это так называемый струйчатый хараткер движения жидкости. При этом перенос теплоты по нормали к направлению движения осуществляется путем теплопроводности.

При турбулентном режиме частицы жидкости движутся неупорядочено, хаотически, величина и направление скорости движения отдельных частиц непрерывно изменяются. Наблюдается при высоких скоростях движения. Любое движение, которое можно характеризовать как периодическое, или которое представляет собой до некоторой степени правильную вихревую модель, не является турбулентным движением, каким бы сложным оно не было. Существенная характеристика турбулентного потока заключается в том, что турбулентные пульсации по своей природе имеют хаотический характер.

В турбулентном потоке действительно установившимся движение среды является установившимся только для средних по времени значениях скорости и давления, в то время как мгновенные значения скорости и давления Р испытывают нерегулярные пульсации. Главное свойство, основная характеристика турбулентного движения заключается в том, что несмотря на совершенно произвольные колебания компонентов мгновенной скорости осредненная скорость за достаточно продолжительный период времени сохраняет постоянное значение.

Если спроектировать мгновенный вектор скорости на три координатные оси, то получим осевой компонент u, совпадающий с направлением движения и два поперечных компонента и (рис.13.1).

Рис. 13.1. Понятие мгновенного вектора

Все три компонента находятся в непрерывном движении, их изменения не следуют какой– то определенной зависимости. Поперечные компоненты и изменяются как по величине, так и по направлению, периодически принимая положительные или отрицательные значения. Осевой компонент u ограничивается изменением только своей величины.

Опыты Рейнольдса.

Рейнольдсом было установлено на экспериментальной установке (Рис 13.2.), что переход от одного режима к другому происходит при определенной безразмерной величине, называемой критерием Рейнольдса.

Рис. 13.2. Схема установки для изучения режимов движения:

1 – сосуд с краской; 2 – стеклянная трубка;

3 – окрашенная струйка жидкости; 4- мерный бак

где –Па·c; кгс·с/м² .

Здесь П–периметр канала, м; – линейный параметр, характеризующий форму поперечного сечения канала; –характеристическая скорость

Если Re<2300, то режим движения ламинарный, а если Re>2300, то режим движения турбулентный.

Физический смысл критерия Рейнольдса состоит в следующем. Сила тяжести и скорость стремятся нарушить упорядоченный процесс движения. С другой стороны вязкость может быть приравнена к системе внутренних связей, уменьшающих внутреннюю подвижность между частицами массы и тем самым действующих как стабилизирующий фактор. Повышенное число Re в таком освещении является указателем уменьшенной устойчивости или признаком большего преобладания беспорядочных влияний.

Пограничный слой

Рассмотрим продольное обтекание поверхности тела безграничным потоком жидкости (рис.13.3). Температура жидкости t_o и ее скорость w_o постоянны. При соприкосновении частиц жидкости с поверхностью тела они как бы «прилипают» к ней. В результате у поверхности тела в силу действия сил вязкости образуется тонкий неподвижный слой, в пределах которого скорость изменяется от нуля на поверхности тела до скорости равной скорости невозмущенного потока вдали от тела.

Рис. 13.3. К понятию пограничного слоя

Этот заторможенный слой у поверхности тела получил название гидродинамического пограничного слоя. С увеличением х толщина пограничного слоя растет, слой делается неустойчивым и движение в нем турбулентным. Однако и при турбулентном пограничном слое у стенки имеется тонкий слой жидкости, так называемый ламинарный подслой.

Существует также у поверхности тела тепловой пограничный слой.

14.Результаты опытов по исследованию сопротивления в трубах с искусственной равномерной шероховатостью в графике Никурадзе

Исследования в этой области проведены Никурадзе. Стенки труб имели специально созданную равномерную шероховатость с помощью зерен песка, которые принимались за величину шероховатости . В опытах определяли потери напора, измерялся расход, вычислялись средние скорости и коэффициенты . (Рис. 14.1).

Рис. 14.1. График Никурадзе:

1 – закон Пуазейля; 2 – закон Блазиуса

Значения коэффициента в гладких трубах в зависимости от критерия

Re представлены ниже:

Re < 2300 Закон Пуазейля для прямых труб круглого сечения:

Re =2300-10000 формула Блазиуса;

Re >10000 формула Никурадзе.

В шероховатых трубах существуют три отличные друг от друга закономерности изменения величины коэффициента сопротивления трения в зависимости от режима течения жидкости (газа) – ламинарная, переходная и турбулентная.

При ламинарном режиме влияние шероховатости не сказывается, так как выступы шероховатости погружены в пристеночный подслой, и, следовательно, срывов потока с выступов и завихрений не происходит. Никакой разницы между гладкими и шероховатыми трубами здесь не наблюдается. В этом случае .

В начале переходного режима как и у гладких труб зависит только от критерия Re; c увеличением Re начинают наблюдаться отклонения от указанной зависимости и тем большие, чем выше относительная шероховатость. В конце переходного режима все кривые отклоняются от прямой Блазиуса, расходятся и достигают постоянного значения тем быстрее, чем выше относительная шероховатость. В этом режиме толщина пристеночного подслоя и высота бугорков шероховатости–величины одного порядка. Поэтому при увеличении Re выступы обнажаются и вызывают срывы потока и завихрения. В этом случае .

Квадратичный режим наступает при дальнейшем увеличении числа

Re, когда выступы шероховатости почти полностью выступают из пристеночного подслоя и поэтому увеличение числа Re больше не меняет значения . В этом случае .

Под относительной шероховатостью понимают отношение высоты выступов шероховатости к какому–то характерному размеру (диаметр трубы и т.д.). Если высота выступов шероховатости меньше высоты пристеночного подслоя, то поверхность считается гидравлически гладкой, а если наоборот–то совершенно шероховатой.

Различают следующие формы потока:

1.ламинарный поток. Чисто вязкое сопротивление;

2.турбулентный поток вдоль гладкой поверхности. Турбулентность. вызывается внутренними свойствами самой жидкости и не зависит от шероховатости поверхности стенки;

3.турбулентный поток. Турбулентность определяется состоянием шероховатости стенки.

15. Расчет потерь давления на трение и местные сопротивления

При движении потока по каналу происходят потери динамического напора на трение потока о стенки канала и на преодоление местных сопротивлений.

Потери напора на трение (Па) для ламинарного и турбулентного потоков определяются по формуле Жирара.

,

где –эквивалентный диаметр потока (трубы), м; F–площадь поперечного сечения потока (трубы), м².

Для прямоугольных каналов со сторонами и Эквивалентный диаметр системы равных параллельных каналов равен диаметру одного канала.

При расчетах необходимо принимать:

для гладких металлических каналов = 0,025;

для шероховатых металлических каналов =0,04;

для кирпичных и бетонных каналов = 0,05.

Под местными сопротивлениями понимают гидравлические сопро-тивления отдельных участков трубопровода, при прохождении которых поток меняет свое направление, форму или скорость, либо то и другое одновременно. К относят сужения и расширения каналов, запорные и дросселирующие устройства, различные повороты, разветвления и т.д. Преодоление таких участков сопровождается потерей потенциальной энергии, затрачиваемой на отрыв потока от стенок и вихреобразований в нем.

На расстоянии 6–10 диаметров трубопровода от местного сопротивления наступает стабилизация потока.

Формула для расчета потерь напора на местные сопротивления имеет вид:

,

где –безразмерный коэффициент местного сопротивления , представляющий отношение потерянного напора к динамическому, взятому до местного сопротивления, т.е.

Изменяется от нуля до . Его можно уменьшить, заменой резкого поворота канала более плавным, используя составное колено из нескольких прямых труб, расположенных под некоторым углом относительно друг друга. При переходе трубопровода из меньшего диаметра в больший применяют диффузоры, а наоборот конфузоры.

16.Центробежные и осевые вентиляторы. Их характеристики. Регулирование работы

Вентиляторы служат:

1.для подачи воздуха, необходимого для горения топлива;

2.для удаления продуктов горения из рабочего пространства в атмо-

cферу;

3.для организации принудительной циркуляции печных газов;

4.для перемещения пылевого топлива, золы и пр;

5.для улучшения санитарно–гигиенических условий в производствен-

ных помещениях.

Для нормальной работы печи вентилятор должен обеспечивать подачу воздуха в таком количестве, которое необходимо для горения топлива при заданном коэффициенте избытка воздуха, а также создавать напор, который позволит преодолеть все сопротивления на пути движения воздуха.

Центробежный вентилятор

Рис. 16.1. Схема центробежного вентилятора

Принцип работы состоит в следующем. При вращении рабочего колеса воздух, увлекаемый лопатками, отбрасывается цетробежной силой от центра к периферии колеса и направлеяется по внутренней поверхности корпуса к выходному патрубку. В центре образуется область пониженного давления, что обеспечивает приток свежего воздуха через входной патрубок. Центробежная сила потока преобразуется на стенке корпуса в статический и динамический напоры, под действием которых он движется по трубопроводу.

Характеристика вентилятора (Рис. 16.2) определяет зависимость между напором Н, мощностью, N, КПД и производительностью V. С повышением производительности мощность, потребляемая из сети увеличивается, а давление вначале увеличивается, а затем уменьшается. С изменением величины производительности V изменяется и КПД вентилятора .

Рис. 16.2. Характеристика центробежного вентилятора

Область, расположенная слева от точки максимального давления является нерабочей зоной и характеризуется низким , а главное неустойчивой работой вентилятора, так как уменьшение создаваемого им давления сопровождается уменьшением количества подаваемого воздуха. Эксплуатация вентилятора, при характеристиках, соответствующих этой зоне, не рекомендуется.

Регулируют работу вентилятора, изменяя частоту вращения рабочего колеса или сопротивление воздухопровода с помощью задвижки (местное сопротивление). Включают при закрытой задвижке, а затем ее постепенно открывают.

Осевой вентилятор

Имеет одно или два рабочих колеса (рис.16.3) ( в зависимости от этого их называют одно–или двухступенчатыми). На показатели работы влияет величина зазора между концами лопаток и кожухом. Оптимальным считается зазор 0,4–0,6% от диаметра рабочего колеса.

Рис. 16.3. Схема центробежного вентилятора

Характеристика вентилятора приведена на Рис 16.4.

Рис. 16.4. Характеристика осевого вентилятора

Зона левее С–С нерабочая. Видно, что максимальной мощности и давлению здесь соответствует наименьшая производительность при закрытой задвижке.

Показатели работы можно изменять с помощью задвижки, применяя разную частоту вращения двигателя, или за счет поворота лопаток.

Для увеличения количества подаваемого воздуха применяют параллельное соединение вентиляторов, а для повышения напора–последова-тельное.

Осевые вентиляторы имеют более простую конструкцию и более высокий КПД, дешевле в изготовлении, чем центробежные. Они могут перемещать большие объемы газов, но при этом создавать меньший напор. Недостаток –у них повышенный шум при работе.

Выбор вентилятора

Вентиляторы выбирают в основном исходя не из конструктивных соображений, а из заданных необходимых напоров, производительности и плотности воздуха по номограммам (рис.16.5). По оси ординат дано полное давление (статическое+динамическое), по оси абсцисс–производительность. Пять кривых на рис. 16.5 соответствуют характеристикам различных размеров (номеров) вентиляторов.

По производительности и создаваемому давлению определяют величины N и . При этом стремятся к выбору вентилятора с максимальным для чего используют несколько номограмм.

Рис. 16.5. Номограмма для выбора вентилятора