5 Місцеві втрати напору (тиску) в трубах

5.1Різні типи місцевих опорів, методи визначення коефіцієнтів місцевих опорів

Ділянки трубопроводів, де течія відрізняється від стабілізованої, розглядаються в розрахунках окремо. Умовно прийнято вважати, що збурення, які вносяться цими ділянками, носять локальний характер і їх вплив враховується коефіцієном місцевих опорів.

Основні види місцевих втрат напору можна умовно розділити на такі групи:

- втрати, які пов’язані зі зміною перерізу потоку (або, що теж саме, його середньої швидкості). Сюди відносяться випадки раптового розширення, звуження. А також поступового розширення або звуження потоку;

- втрати, які викликані зміною напрямку потоку. Сюди відносяться різного роду коліна, косинці, відводи, які використовуються на трубопроводах;

- втрати, які пов’язані з протіканням рідини через арматуру різного типу (вентилі, крани, зворотні клапани, сітки, відбори, дросель-клапани тощо). Тут може відбуватись одночасно зміна швидкості як за величиною, так і за напрямком;

- втрати, які пов’язані з відділенням одної частини потоку від іншої або злиттям двох потоків в один загальний (трійники, хрестовини, отвори в бокових стінах трубопроводів при наявності транзитної витрати).

Які основні причини виникнення місцевих втрат напору в місцевих опорах (Local resistances)?

При розгляді різних видів місцевих опорів насамперед звертає на себе увагу різка зміна спектра течії на ділянках місцевих опорів. З кинематичної точки зору це означає великі зміни місцевих швидкостей як за величиною, так і за напрямком. Стрибкоподібна зміна швидкостей пов’язана з утворенням поверхонь поділу, які розпадаються на вихори з наступним каскадним процесом дисипації енергії в’язкої рідини.

В турбулентних течіях за перепоною ці вихори утворюють відривну область руху з великомасштабними пульсаціями, кінетична енергія яких переходить в пульсації більш малого масштабу, де і відбувається в кінцевому рахунку дисипація енергії. Цими ж причинами обумовлюються втрати енергії при злитті та розділенні потоків. В деяких випадках причинами виникнення місцевих опорів є вторинні течії.

Втрати напору, який витрачений на подолання будь-якого місцевого опору, прийнято оцінювати в частках швидкісного напору, який відповідає середній швидкості безпосередньо за місцевим опором, що розглядається, тобто визначають їх за формулою Вейсбаха

. (5.1)

де  – так званий коефіцієнт місцевого опору.

Коефіцієнти різних місцевих опорів (втрат) знаходять, як правило, дослідним шляхом. Таблиці значень цих коефіцієнтів, або емпіричні криві і формули для них, містяться у всіх інженерних довідниках і посібниках з гідравліки [13, 20]. При користуванні довідниками треба звертати увагу на рекомендації щодо визначення швидкісного напору, тобто, яка швидкість приймається в розрахунках – до чи після місцевого опору. Для деяких практично важливих випадків значення коефіцієнтів місцевих опорів вдалось одержати також теоретичним шляхом.

Формула Вейсбаха також застосовується в такому вигляді

. (5.2)

де Р_м – втрати тиску в місцевому опорі.

Коефіцієнт місцевих втрат  (Coefficient of local losses) визначається за експериментальними даними. Деякі значення для квадратичної області втрат наведені в табл. Б.2. Для деяких випадків є залежності. Так, при раптовому розширенні потоку

, (5.3)

де  – коефіцієнт Коріоліса перед розширенням;

при раптовому звуженні потоку

, (5.4)

де D₁, D₂ – відповідно діаметри труб до і після розширення.

Швидкісний напір v²/(2g) розраховується за швидкістю за місцевим опором.

Місцеві втрати визначаються з рівняння Бернуллі для перерізів до місцевого опору і наприкінці ділянки стабілізації.