Гидравлические сопротивления.

При движении реальной жидкости в каналах ограниченных размеров происходят непрерывные потери механической энергии потока (т.е. превращение механической энергии движения в тепловую энергию). Эти потери энергии носят название диссипации энергии и обусловлены действием вязких сил внутреннего трения. Основной причиной возникновения внутреннего трения в жидкости является вязкое взаимодействие жидкости с твердой обтекаемой поверхностью ограничивающих каналов. Эти силы внутреннего трения оказывают сопротивление движению.

Гидравлические сопротивления разделяются на сопротивления по длине потока и местные сопротивления.

Водоворотная зона

Потери энергии на гидравлических сопротивлениях, отнесенные к единице веса жидкости, т.е. потери напора, принято выражать в долях скоростного напора.

Потери напора по длине в круглом трубопроводе определяются по формуле Дарси:

, (31)

где h_l – потери напора по длине (м);

l – длина трубопровода;

d – внутренний диаметр трубопровода;

– средняя скорость течения жидкости в трубопроводе;

– коэффициент гидравлического трения (коэффициент Дарси).

Величина коэффициента гидравлического трения l в общем случае является функцией числа Рейнольдса (Re) и относительной шероховатости (D/d)

l = f (Re, D/d),

где ;

D – абсолютная шероховатость зависящая от материала трубопровода и характера его обработки.

Соответствующие потери давления по длине трубопровода определяются по формуле:

. (32)

Местные гидравлические сопротивления – это короткие участки потока, на которых происходит резкое изменение скорости по величине или по направлению, обусловленное изменением конфигурации твердых границ. Основной механизм местных потерь энергии – образование зон вихревого течения (водоворотных зон) при обтекании потоком твердых препятствий. В этих водоворотных зонах жидкость совершает интенсивные попятно-вращательные движения, поэтому потери энергии в этих зонах более интенсивны, чем в основном (транзитном) потоке. Потери энергии на местных сопротивлениях пропорциональны объему образовавшихся водоворотных зон.

К местным гидравлическим сопротивлениям относятся: внезапное расширение трубопровода, внезапное сужение, постепенное расширение (диффузоры), постепенное сужение (конфузоры), колена, дроссельные шайбы, фильтрующие устройства и т.д.

Потери напора на местных сопротивлениях определяются по формуле:

, (33)

где – средняя скорость жидкости, обычно, в сечении после местного сопротивления;

ζ - коэффициент местного сопротивления.

Величина коэффициента местного сопротивления ζ зависит от вида местного сопротивления, его геометрических размеров, условий входа жидкости в него и от режима течения жидкости (т.е. от числа Рейнольдса Re).

Потери давления на местных сопротивлениях можно определить по формуле:

. (34)

Кавитация

При течении жидкости в каналах переменного сечения при сужении канала скорость жидкости возрастает, а давление в соответствии с уравнением Бернулли уменьшается:

.

В наиболее узком месте (сечении 2 – 2) скорость жидкости будет максимальной, а давление – минимальным. Причем, давление в узком сечении может достигать очень низких значений, меньших, чем давление закипания данной жидкости при данной температуре ( ): .

Если давление в узком сечении канала достигнет давления закипания (парообразования), то жидкость в этом месте начнет кипеть. В результате, в узких местах канала образуются полости, заполненные паром, так называемые каверны. Это явление называется кавитацией.

Если далее происходит расширение канала и, следовательно, увеличение давления, то паровые полости начнут конденсироваться. Конденсация паровых полостей происходит с большой скоростью, сопровождается сильными микроударами, вызывающими кавитационную коррозию материала твердых стенок ограничивающих каналов (например, трубопровода). В результате материал трубопровода разъедается, его поверхность приобретает губчатый вид. Это явление называется кавитационным износом. Кроме того, кавитация может служить причиной повышенной вибрации гидравлических аппаратов.

Кавитация возникает не только при движении жидкости в трубопроводе, но и при внешнем обтекании тел, в частности, на лопастях гребных винтов, рабочих колес насосов и гидравлических турбин.