Лабораторная работа 5 Потеря напора на местных сопротивлениях

 

 

Цель работы - изучение потерь напора при резком расширении при установившемся турбулентном потоке.

Эта работа позволяет учащимся представить себе физическую сущность тех явлений, которые происходят при резком расширении потока. Проведение опытов содействует приобретению навыков экспериментального определения следующих параметров: расхода, гидродинамических давлений, скоростного и полного напоров.

Работа состоит из:

а) экспериментального определения местной потери напора, получающейся при резком расширении потока;

б) сопоставление этих потерь напора с потерями напора, вычисленными по формуле теоретической зависимости.

 

Основные положения

 

На участках трубопровода, где имеются повороты, местные расширения или сужения и т. п., возникают местные потери напора, обусловленные работой сил трения.

При внезапном расширении трубопровода, поток по инерции срывается с внутренней угловой кромки и образует струю, которая отделяется от стенок расширенной трубы вихревой зоны (водоворотной области) (см. рис. 5.1).

При турбулентном режиме имеет место интенсивный обмен беспорядочно движущимися частицами между транзитным потоком и вихревой зоной. Увлекая частицы вихревой зоны, транзитный поток замедляется и, постепенно расширяясь, снова заполняет все сечение трубопровода (см. рис. 5.1). Происходящее при этом повышение давления вызывает возвратное движение частиц вихревой зоны у стенок. В результате этого возникает вращательное (циркуляционное) движение жидкости, заполняющей вихревую зону, которое поддерживается непрерывным обменом частицами между этой зоной и транзитным потоком.

Из неустойчивой вихревой зоны транзитный поток периодически захватывает отдельные крупные вихри и уносит их по течению.

Последнее интенсивное перемешивание частиц вызывает дробление этих завихрений и постепенное их затухание в транзитном потоке. При этом уменьшается неравномерность скоростей, возникающая на участке расширения струи, происходит стабилизация потока, которая в основном завершается по длине, равной примерно десяти диаметрам трубопровода.

 

Рис. 5.1. Схема внезапного расширения потока

 

L=10·d₂ - расстояние между пьезометрами;

1-1- сечение «до расширения»;

2-2 - сечение «после расширения»;

А - вихревая (водоворотная) зона;

V₁ -средняя скорость потока в трубе;

V₂ - средняя скорость потока в патрубке;

W₁, W₂ - живое сечение;

l_b - длина патрубка, на которой струя расширяется;

l_пер - длина переходного участка.

 

Затрата механической энергии на создание вихрей с последующим переходом кинетической энергии их вращения в тепло под действием сил внутреннего трения составляет здесь наибольшую часть местной потери.

Такие же явления, как и при внезапном расширении трубопровода, характерны для местных сопротивлений, в которых поток обтекает острые кромки, фиксирующие места отрыва потока от стенок и образование вихревых зон (колено, диафрагма, задвижка и пр.). В таких сопротивлениях основными являются вихревые потери, а тормозящее действие стенок на поток имеет второстепенную роль.

Периодический унос вихрей из зон вихреобразования является, кроме того, причиной возникновения пульсаций давления в потоке.

Потерю напора при резком расширении потока можно определить по теоретической формуле Борда.

где V₁ - средняя скорость течения в сечении «до расширения»;

  V₂ - средняя скорость течения в сечении «после расширения».

Общий вид формулы для подсчета местных потерь

,

где ζ - коэффициент (местного) сопротивления;

  V - средняя скорость в сечении «после расширения»;

  g - ускорение силы тяжести.

Величина h_м определяет суммарную потерю напора - по длине и местную. Но, так как потери по длине на коротком участке местного сопротивления малы, их часто особо не выделяют и относят к местным.

Потери энергии (напора) в местных сопротивлениях (в частности и для резкого расширения потока) определяются формулой (5.1), в которой коэффициент ζ, должен быть определен для каждого вида сопротивления. Поскольку теоретическое решение этой задачи затруднено сложностью геометрических форм большинства из них, поэтому прибегают к экспериментальному определению этого коэффициента.

Коэффициент потери ζ зависит в общем случае от формы местного сопротивления и числа Рейнольдса. Однако влияние проявляется лишь в области малых значений, т.е. при ламинарном потоке. Для турбулентного потока коэффициент потерь практически зависит только от формы местного сопротивления.