Гидравлические сопротивления в трубопроводе
Трудно найти область деятельности человека, не связанную с перемещением жидкости. Это технологические системы в химической промышленности, трубопроводы тепловых, атомных и гидроэлектростанций, автоматизированные гидравлические системы самолетов, гидравлические приводы горных машин, крепи шахт и многие гидравлические системы других производств.
Трубы и каналы, предназначенные для перемещения жидкостей, состоят из прямых участков постоянного сечения и коротких вставок между ними, сложной геометрической формы. Любое движение реальных сил всегда сопровождается потерями энергии. Это относится и к движению жидкости. Часть энергии тратится на преодоление сопротивлений по длине потока, другая часть - на преодоление местных сопротивлений - расширений, сужений, поворотов потока и разнообразных их сочетаний.
Это регулирующая и запорная, предохранительная и монтажная арматура трубопроводов. Часть механической энергии потока, перешедшая в тепло на этих участках, называют местными потерями энергии или потерями напора.
Физика явления: Основные понятия.
Важнейшим фактором, определяющим потери напора, являются особенности кинематики потока. Преграда на пути движения жидкости искривляет линии тока. Изменяются скорости по величине и направлению, появляются отрывы потока. Момент их образования определяется величиной скорости. Увеличим расход жидкости - деформация потока растет.
При обтекании потоком преграды, можно выделить транзитную струю и водоворотные или циркуляционные зоны. Граница транзитной струи и водоворотной зоны - поверхность раздела. Поверхность раздела неустойчива, она распадается на вихри. Процесс возникновения и распада поверхности раздела, при налегании потока на ребро происходит так - в начальный момент рост скорости приводит к отрыву от преграды граничной линии тока, возникает вихрь.
Образовавшаяся поверхность раздела распадаются на отдельные вихри, которые уносятся потоком. Образование все более мелких структур при дроблении вихрей, доводит их до такого масштаба, когда превалирует сила вязкостного трения. Происходит переход механической энергии вихрей в тепло.
Процесс вихреобразования в неустойчивом потоке.
При слиянии двух потоков, двигающихся со значительной разностью скоростей, также возникает поверхность раздела и вихри. Достаточно случайного возмущения, чтобы вызвать искривление поверхности раздела. Рост искривления - следствие действия центробежных сил. Жидкость перетекает из области повышенного давления в зону пониженного. Это приводит к распаду поверхности раздела на беспорядочные вихри.
Периодическое возникновение и снос вихрей, повышает интенсивность турбулентности и сопровождается значительными потерями энергии. Следствием отрыва потока и вихреобразования, всегда является деформация поля скоростей. Близ преграды находится участок резкой деформации потока со значительными изменениями эпюр соединённых скоростей. Чем резче деформация, тем больше потери напора. В водоворотной области генерируется повышенная пульсация скоростей и давлений, которая затухает вниз по течению.
Уровень пульсации потока и эпюры скоростей приобретают вид характерный для равномерного движения. Чем выше пульсация, тем больше потери энергии.
Итак, повторим особенности кинематики потока - отрыв, образование водоворотных зон, искривление линий тока, интенсивная турбулентность. Изменение всего поля скоростей обуславливает увеличение потерь энергии в местных сопротивлениях.
Для определения величины потерь на местном сопротивлении, необходимо выявить разность удельных энергий в двух граничных сечениях. Если из суммарного напора вычесть падения по длине потока, получим потери энергии на преодоление местного гидравлического сопротивления.
Часто ее определяют упрощённо, на участке резко изменяющегося движения. Безразмерный коэффициент Z - коэффициент местного гидравлического сопротивления. Выявленные особенности течения, позволяют перейти к инженерной реализации, рассмотрению основных типов местных сопротивлений.
Течение с уменьшением средней скорости потока.
При внезапном расширении сечения, струя под действием сил инерции не может внезапно расшириться. Вокруг струи образуется водоворотная область, резко повышается турбулентность. Теоретически, падение энергии равно скоростному напору потерянной скорости.
Затраты энергии идут на перераспределение поля скоростей.
Высокое сопротивление внезапного расширения используют в лабиринтных уплотнениях, для снижения утечек жидкости в гидравлических машинах. Чтобы уменьшить потери энергии, делают расширение постепенным. В диффузоре плавное расширение струи ведет к снижению скорости и росту давления. Вследствие тормозящего влияния скорости потока и силы инерции вдоль стенок, меньше, чем в центральной части потока.
У стенок образуются обратные течения. Они - основная причина потерь энергии. Уменьшение угла расширения диффузора приводит к исчезновению водоворотных зон и к уменьшению потерь. Если в коротком диффузоре с большим углом расширения, поток разделить на несколько струй, гидравлическое сопротивление уменьшится.
Течение с увеличением средней скорости потока.
При внезапном сужении трубопровода, транзитная струя сжимается, образуя сжатое сечение. Повышается устойчивость потока. Водоворотные зоны, уровень пульсации и потери энергии меньше, чем при внезапном расширении. Согласно уравнению Бернулли, рост скоростей на участке сжатия сопровождается падением давления. Для уменьшения потерь применяют конфузоры, в которых возможность вихреобразования еще меньше.
Сопротивление конфузора можно свести к минимуму, плавным переходом от большего сечения к меньшему.
Течение с изменением направления потока.
Участок поворота потока характеризуется сложной кинематикой. Главные причины этих деформаций - разница в центробежных силах отдельных строек. Этот фактор определяет увеличение давления жидкости у внешней стенки и понижение - у внутренний. Перераспределение скоростей имеет противоположный характер. Ниже поворота возникает диффузорный эффект с образованием водоворотных зон.
Дополнительные потери вызывают вторичные течения поперечной циркуляции. За изгибом образуется два винтовых потока, что приводит к росту потери энергии. Изменяя плавность поворота, можно снизить значение коэффициента сопротивления до семи раз. Если необходимо сохранить компактность поворота, образование водоворотных зон можно уменьшить установкой направляющих лопаток.
Поток отклоняется к внутренней стенке, водоворотная зона становится меньше, потери уменьшаются в 6-8 раз.
Течение со слиянием потоков или делением потока.
Участок с соединением одного, или более потоков - один из видов местных сопротивлений. При слиянии потоков с различными скоростями, основные потери энергии возникают в результате перемешивания струй. При этом возникают потери на поворот, и поджатие потока с последующим его расширением.
При делении потока, структура его в значительной степени определяется соотношением расходов. При таком соотношении расходов, в ответвлении образуется отрывное течение. Этому способствует диффузорный эффект.
При обратном соотношении расходов, образуется интенсивный вихрь на прямом участке. Если в отводящем канале расход равен 0, образующийся в нем вихрь представляет местное сопротивление. Потери энергии оказываются больше, чем при отсутствии ответвления.
Если участок поворота очертить пограничной линией тока, гидравлическое сопротивление уменьшится.
Взаимное влияние местных сопротивлений
Участок искажения потока за сопротивлением - зона стабилизации. Поэтому общие потери энергии напора системы, зависят от взаимного расположения местных сопротивлений. Сопротивления можно приближённо считать независимыми, при взаимном их удалении порядка 50 диаметров. Если же сопротивление находится ближе, то они влияют друг на друга, образуя новые, более сложные сопротивления. По последним исследованиям, участок стабилизации потока сильно зависит от внутренней шероховатости трубопровода.
Мы ограничились рассмотрением основных типов сопротивления. Инженерная практика отличается большим разнообразием местных сопротивлений и высокой насыщенностью ими многих систем. Понимание этого раздела гидравлики, помогает выбрать оптимальную форму сложных элементов и правильно их рассчитать для снижения энергетических затрат
См. также: