Потери напора при турбулентном течении жидкости

Как было указано в п.4.1, для турбулентного течения характерно перемешивание жидкости, пульсации скоростей и давлений. Если с помощью особо чувствительного прибора-самописца измерять пульсации, например, скорости по времени в фиксированной точке потока, то получим картину, подобную показанной на рисунок 4.4. Скорость беспорядочно колеблется около некоторого осредненного по времени значения υ оср, которое данном случае остается постоянным.

Характер линий тока в трубе в данный момент времени отличается большим разнообразием (рисунок 4.5).

Потери напора при турбулентном течении жидкости - №1 - открытая онлайн библиотека

Рисунок 4.4 – Пульсация скорости в турбулентном потоке

Потери напора при турбулентном течении жидкости - №2 - открытая онлайн библиотека

Рисунок 4.5 – Характер линий тока в турбулентном потоке

При турбулентном режиме движения жидкости в трубах эпюра распределения скоростей имеет вид, показанный на рисунок 4.6. В тонком пристенном слое толщиной δ жидкость течет в ламинарном режиме, а остальные слои текут в турбулентном режиме, и называются турбулентным ядром. Таким образом, строго говоря, турбулентного движения в чистом виде не существует. Оно сопровождается ламинарным движением у стенок, хотя слой δ с ламинарным режимом весьма мал по сравнению с турбулентным ядром.

Потери напора при турбулентном течении жидкости - №3 - открытая онлайн библиотека

Рисунок 4.6 – Модель турбулентного режима движения жидкости

Основной расчетной формулой для потерь напора при турбулентном течении жидкости в круглых трубах является уже приводившаяся выше эмпирическая формула, называемая формулой Вейсбаха-Дарси и имеющая следующий вид:

Потери напора при турбулентном течении жидкости - №4 - открытая онлайн библиотека

Различие заключается лишь в значениях коэффициента гидравлического трения λ. Этот коэффициент зависит от числа Рейнольдса Re и от безразмерного геометрического фактора - относительной шероховатости Δ/d (или Δ/r0, где r0 - радиус трубы).

Впервые наиболее исчерпывающей работы по определению были даны И.И. Никурадзе, который на основе опытных данных построил график зависимости lg(1000λ) от lg Re для ряда значений Δ/r 0. Опыты Никурадзе были проведены на трубах с искусственно заданной шероховатостью, полученной путем приклейки песчинок определенного размера на внутренние стенки трубопровода. Результаты этих исследований представлены на рисунок 4.7, где построены кривые зависимости lg (1000λ) от lg Re для ряда значений Δ/r0.

Прямая I соответствует ламинарному режиму движения жидкости. Далее на графике можно рассматривать три области. Первая область - область малых Re и Δ/r0, где коэффициент λ не зависит от шероховатости, а определяется лишь числом Re (отмечена на рисунок 4.7 прямой II ). Это область гидравлически гладких труб. Если число Рейнольдса лежит в диапазоне 4000 < Re < 10(d / Δ э) коэффициент λ определяется по полуэмпирической формуле Блазиуса

Потери напора при турбулентном течении жидкости - №5 - открытая онлайн библиотека (4.10)

Для определения существует также эмпирическая формула П.К. Конакова, которая применима для гидравлически гладких труб

Потери напора при турбулентном течении жидкости - №6 - открытая онлайн библиотека (4.11)

Потери напора при турбулентном течении жидкости - №7 - открытая онлайн библиотека

Рисунок 4.7 – График Никурадзе

Во второй области, расположенной между линий II и пунктирной линией справа, коэффициент λ зависит одновременно от двух параметров - числа Re и относительной шероховатости Δ/r0, которую можно заменить на Δэ. Для определения коэффициента λ в этой области может служить универсальная формула А.Д. Альтшуля:

Потери напора при турбулентном течении жидкости - №8 - открытая онлайн библиотека (4.12)

где Δэ - эквивалентная абсолютная шероховатость.

Характерные значения Δэ (в мм) для труб из различных материалов приведены ниже:

Стекло
Трубы, тянутые из латуни, свинца, меди 0…0,002
Высококачественные бесшовные стальные трубы 0,06…0,2
Стальные трубы 0,1…0,5
Чугунные асфальтированные трубы 0,1…0,2
Чугунные трубы 0,2…1,0

Третья область - область больших Re и Δ/r0, где коэффициент λ не зависит от числа Re, а определяется лишь относительной шероховатостью (область расположена справа от пунктирной линии). Это область шероховатых труб, в которой все линии с различными шероховатостями параллельны между собой. Эту область называют областью автомодельности или режимом квадратичного сопротивления, т.к. здесь гидравлические потери пропорциональны квадрату скорости.

Определение λ для этой области производят по упрощенной формуле Альтшуля:

Потери напора при турбулентном течении жидкости - №9 - открытая онлайн библиотека

или по формуле Прандтля - Никурадзе:

Потери напора при турбулентном течении жидкости - №10 - открытая онлайн библиотека

Итак, потери напора, определяемые по формуле Вейсбаха-Дарси, можно определить, зная коэффициент гидравлического сопротивления, который определяется в зависимости от числа Рейнольдса Re и от эквивалентной абсолютной шероховатости Δэ. Для удобства сводные данные по определению λ представлены в таблице 4.1.

Пользоваться приведенными в таблице 4.1 формулами для определения коэффициента λ не всегда удобно. Для облегчения расчетов можно воспользоваться номограммой Колбрука-Уайта (рисунок 4.8), при помощи которой по известным Re и Δэ/ d весьма просто определяется λ.

Таблица 4.1 – Таблица для определения коэффициента гидравлического трения

Потери напора при турбулентном течении жидкости - №11 - открытая онлайн библиотека