Местные гидравлические сопротивления. Внезапное расширение и сужение трубы

Местные сопротивления – это короткие участки трубопровода, в которых происходит резкое изменение скорости жидкости по величине или направлению (или преобразование эпюры скоростей потока), обусловленные 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, повороты, дроссельные шайбы, фильтрующие устройства, вентили, задвижки, клапаны и т.д.

В результате отрыва потока от стенок и образования водоворотных зон часть механической энергии расходуется, превращаясь в теплоту. Затрачиваемая в местном сопротивлении механическая энергия, отнесенная к единице веса жидкости, называется местной потерей напора.

Местные потери напора в гидравлических расчетах принято выражать в долях скоростного напора: .

Для определения местных потерь напора используется формула:

,

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). Род жидкости влияет на величину ζ лишь через величину кинематического коэффициента вязкости n, входящего в число Рейнольдса.

Потери давления на местных сопротивлениях можно определить по формуле:

.

Если местные сопротивления расположены на близких друг от друга расстояниях, и на разделяющем участке трубопровода эпюра скоростей не успевает стабилизироваться, то происходит взаимное влияние сопротивлений. В этом случае общая потеря напора не будет равна сумме потерь напора на изолированных сопротивлениях. Например, при последовательном соединении двух колен (рис. 1) в случае (а) – суммарный коэффициент x_S = 3x , а в случае (б) – x_S = 1,45x , где x – коэффициент сопротивления изолированного колена.

Взаимное влияние местных сопротивлений в трубопроводе становится заметным, если длина участка между ними меньше (5¸6)d где d – внутренний диаметр трубопроводарис. 3.2.

Рис. 3.2. Последовательное соединение двух колен

При внезапном расширении трубопровода потери напора можно определить по формуле Борда:

.

Водоворотная зона

При внезапном сужении трубопровода можно использовать формулы:

,

где ζ – коэффициент сопротивления внезапного сужения, определяется по формуле: