Потери напора на местные сопротивления.

Как отмечалось выше, потери напора возникают при турбулентном перемешивании слоев жидкости или при отрывах потока от стенок с образованием стационарных вихревых зон. Эти явления существенно влияют на перераспределение скоростей и напряжений в потоке, и следовательно, на потери энергии, данный вид потерь носит название потерь на местные сопротивления. Данный вид потерь напора включает в себя обширный класс конкретных случаев, которые образуются при изменения конфигурации потока на относительно коротком участке, при слиянии и разделение потоков жидкости, при входе и выходе жидкости в резервуары, а также при прохождении запорной арматуры.

В некоторых случаях из общих формул удается получить теоретические формулы для конкретных видов гидравлических сопротивлений. Вместе с тем, как правило, приходится, пользуясь опытными данными, конкретизировать эти формулы эмпирическими коэффициентами. Таким образом, полуэмпирический подход, на настоящий момент, является преобладающим методом установления и описания явлений, связанных с гидравлическими потерями.

Местные потери практически не зависят от длины участка трубы, на котором имеется местное гидравлическое сопротивление, и от диаметра трубы и определяются по формуле:

, (9.8)

где - коэффициент гидравлического сопротивления, входящий в данную формулу, характеризует в каждом случае величину местных потерь напора в конкретном гидравлическом сопротивлении и называется коэффициентом местных потерь.

Величина местных гидравлических потерь, так же как и потерь на трение определяется не только конфигурацией граничных поверхностей потока, но и существенно зависит от режимов течения, в турбулентных потоках величина потерь на местные сопротивления больше, чем при ламинарном течении.

Рассмотрим некоторые значения коэффициентов местных потерь. Местные потери напора возникают при резких изменениях формы граничных поверхностей потока на коротком участке.

При внезапном расширении потока жидкости рис (9.3) можно рассчитать по формуле Борда

Рис.9.3 Внезапное расширение потока.

(9.9)

При резком изменении направления потока с острым или незакругленным коленом под разными углами, возникают местные потери, которые возрастают с увеличением угла поворота рис.(9.6. а), если угол поворота плавный рис.(9.6 б), то вихреобразование уменьшается, в зависимости от радиуса кривизны отвода.

Рис.9.4 Резкий поворот трубы под градусов – а); плавный поворот трубы под -б)

Рис. 9.5 Запорная арматура на участке трубопровода

В запорной арматуре трубопровода (задвижки, вентили) происходит вначале сужение, а затем расширение и поворот потока (рис.9.7)

Коэффициент местного сопротивления зависит от типа арматуры и степени ее открытия.

В реальных конструкциях участки равномерного движения жидкости обычно чередуются с местными сопротивлениями, количество и многообразие которых может быть достаточно велико. По этой причине для расчета полных потерь напора по всей длине канала широко применяется принцип сложения. Суть этого принципа состоит в том, что полные потери напора на всем протяжении канала или тубы равны сумме потерь на трение по длине и сумме всех местных потерь напора всех отдельных участках с равномерным движением.

(9.9)

где - потери по длине на -том участке равномерного движения, а - число таких участков; - местные потери на - том местном гидравлическом сопротивлении, - число таких сопротивлений.

Кавитация

Если при движении реальной жидкости по горизонтальному трубопроводу на нем имеются гидравлические сопротивления в виде внезапного сужения с последующим расширением, то в узком месте по уравнению Бернулли, скорость будет максимальна, а давление в этом сечении может быть меньше атмосферного. При пониженном давлении происходит закипание жидкости и образование в ее потоке полостей, заполненным паром и газом. Это явление называется кавитацией.

Кавитация всегда сопровождается потерей энергии движущегося потока жидкости и сопровождается специфическим гулом. Кавитация приводит не только к разрушению стенок трубопровода, но и к эрозии лопастей насосов, гребных винтов кораблей и лопаток турбин.

Для предотвращения появления кавитации указывается максимально допустимая скорость движения жидкости.

(9.10)

где - число кавитации; - давление парообразования.