Гідравлічні опору.
При перебігу рідини по трубах їй доводиться витрачати енергію на подолання сил зовнішнього і внутрішнього тертя. У прямих ділянках труб ці сили опору діють по всій довжині потоку і загальна втрата енергії на їх подолання прямо пропорційна довжині труби. Такі опору називаються лінійними. Їх величина (втрата тиску) залежить від щільності і в'язкості рідини, а також від діаметра труби (чим менше діаметр, тим більше опір), швидкості течії (збільшення швидкості збільшує втрати) і чистоти внутрішньої поверхні труби (чим більше шорсткість стінок, тим більше опір ).
Крім тертя в прямих ділянках, в трубопроводах зустрічаються додаткові опору у вигляді поворотів потоку, змін перетину, кранів, відгалужень і т. П. У цих випадках структура потоку порушується і його енергія витрачається на перестроювання, завихрення, удари. Такі опору називають місцевими. Лінійні і місцеві опори є двома різновидами так званих гідравлічних опорів, визначення яких становить основу розрахунку будь-яких гідравлічних систем.
Режими течії рідини .. В практиці спостерігаються два характерних режиму течії рідин: ламінарний і турбулентний.
При ламінарному режимі елементарні цівки потоку течуть паралельно, чи не перемішуючись. Якщо в такий потік ввести цівку пофарбованої рідини, то вона буде продовжувати свою течію в вигляді тонкої нитки серед потоку неокрашенной рідини, не розмиваючись. Такий режим течії можливий при дуже малих швидкостях потоку. Зі збільшенням швидкості вище певної межі протягом стає турбулентним, вихреобразное, при якому рідина в межах поперечного перерізу трубопроводу інтенсивно перемішується. При поступовому збільшенні швидкості забарвлена цівка в потоці спочатку починає коливатися щодо своєї осі, потім в ній з'являються розриви через перемішування з іншими струменями і потім внаслідок цього весь потік отримує рівномірну забарвлення.
Наявність того чи іншого режиму течії залежить від величини відносини кінетичної енергії потоку 1 + 1
(■ п-гпі2 = ч-рУі2) до роботи сил внут-рішнього тертя (/ 7 = р "5 ^ /) - див. (2.9).
Це безрозмірна ставлення
^ -PVv21 (р, 5 ^ /) можна спростити маючи на увазі, що Ди пропорційно V. Величини 1 і А / г також мають одну і ту ж розмірність, і їх можна скоротити, а відношення обсягу V до поперечного перерізу 5 є лінійним розміром й.
Тоді відношення кінетичної енергії до роботи сил внутрішнього тертя з точністю до постійних множників можна характеризувати безрозмірним комплексом:
який називається числом (або критерієм) Рейнольдса на честь англійського фізика Осборна Рейнольдса, в кінці минулого століття експериментально спостерігав наявність двох режимів течії.
Малі значення чисел Рейнольдса свідчать про переважання роботи сил внутрішнього тертя в потоці рідини і відповідають ламінарному течією. Великі значення Йе відповідають переважанню кінетичної енергії і турбулентному режиму течії. Кордон початку переходу одного режиму в інший - критичне число Рейнольдса - становить 1? ЄКР = 2300 для круглих труб (в якості характерного розміру приймається діаметр труби).
У техніці, в тому числі і тепловоза, в гідравлічних (в тому числі повітряних і газових) системах зазвичай має місце турбулентний плин рідин. Ламінарний режим буває лише у в'язких рідин (наприклад, масло) при малих швидкостях течії і в тонких каналах (плоскі трубки радіатора).
Розрахунок гідравлічних опорів. Лінійні втрати напору визначаються за формулою Дарсі-Вейсбаха: 
де X ( «лямбда») - коефіцієнт лінійного опору, що залежить від числа Рейнольдса. Для ламінарного потоку в круглій трубі Я, = 64 / Ії (залежить від швидкості), для турбулентних потоків величина до мало залежить від швидкості і, головним чином, визначається шорсткістю стінок труб.
Місцеві втрати напору також вважаються пропорційними квадрату швидкості і визначаються так:
де £ ( «дзета») - коефіцієнт місцевого опору, що залежить від типу опору (поворот, розширення і т. п.) і від його геометричних характеристик.
Коефіцієнти місцевого опору встановлюються дослідним шляхом, їх значення наводяться в довідниках.
Поняття про розрахунок гідравлічних систем. При розрахунку будь-гідравлічної системи вирішується зазвичай одна з двох завдань: визначення необхідного перепаду тисків (напору) для пропуску даного витрати рідини або визначення витрати рідини в системі при заданому перепаді тисків.
У будь-якому випадку повинна бути визначена повна втрата напору в системі АН, яка дорівнює сумі опорів всіх ділянок системи, т. Е. Сумі лінійних опорів 'всіх прямих ділянок трубопроводів і місцевих опорів інших елементів системи:
Якщо у всіх ділянках трубопроводу середня швидкість течії однакова, рівняння (2.33) спрощується:
Зазвичай в системі є ділянки, швидкості течії в яких відрізняються один від одного. У цьому випадку зручно привести рівняння (2.33) до іншої форми, з огляду на що витрата рідини постійний для всіх елементів системи (без відгалужень). Підставивши в умову (2.33) значення і = С} / 5, отримаємо
гідравлічна характеристика, або загальний коефіцієнт опору системи.
Необхідно мати на увазі, що розрахунок трубопроводів не є вирішенням завдання з одним певним відповіддю. Його результати залежать від вибору величини діаметрів ділянок трубопроводу або швидкостей в них. Дійсно, можна прийняти в розрахунку невисокі значення швидкостей і отримати невеликі втрати напору. Але тоді при заданій витраті перетину трубопроводів (діаметри) повинні бути великими, система буде громіздкою і важкою. Прийнявши високі швидкості течії в трубах, ми зменшимо їх поперечні розміри, але при цьому істотно (пропорційно квадрату швидкості) зростуть втрати напору і витрати енергії на роботу системи. Тому при розрахунках зазвичай задаються якимись середніми, «оптимальними», значеннями швидкостей течії рідини. Для водяних систем оптимальна швидкість має порядок приблизно 1 м / с, для повітряних систем низького тиску - 8- 12 м / с.
Гідравлічний удар являє собою явище, що відбувається в потоці рідини при швидкій зміні швидкості його течії (наприклад, при різкому закритті засувки в трубопроводі або зупинці насоса). В цьому випадку кінетична енергія потоку миттєво переходить в потенційну енергію і тиск потоку перед засувкою різко зростає. Область підвищеного тиску потім поширюється від засувки в бік ще не загальмованого повністю потоку зі швидкістю, близькою до швидкості звуку а в цьому середовищі.
Різке підвищення тиску призводить якщо не до руйнування, то до пружної деформації елементів трубопроводу, що зменшує силу удару, але посилює коливання тиску рідини в трубі. Величина стрибка тиску при повній зупинці потоку рідини, що мав швидкість v, визначається за формулою видатного російського вченого - професора М. Є. Жуковського, яку він отримав в 1898 р .: Ін = раа, де р - щільність рідини.
З метою запобігання ударних явищ у великих гідравлічних системах (наприклад, водопровідних мережах) запірні пристрої виконують так, щоб їх закриття відбувалося поступово.
⇐ | гідродинаміка | | Тепловози: Основи теорії і конструкція | | Насоси і вентилятори | ⇒
Кордон початку переходу одного режиму в інший - критичне число Рейнольдса - становить 1?