Гидравлические потери. Коэффициент сопротивления. Коэффициент сопротивления трения.

Гидравлические потери при движении жидкости по трубопроводу зависят от формы и размеров его поперечного сечения, шероховатости стенок, скорости течения и вязкости жидкости.

Экспериментально установлено, что гидравлические потери пропорциональны квадрату скорости, поэтому принят следующий способ выражения гидравлических потерь полного напора в единицах длины:

где  – коэффициент сопротивления.

Выделяют два типа гидравлических потерь – местные и потери на трение. Местные потери обусловлены изменением величины и величины и направления вектора скорости на участке трубопровода, длина которого соизмерима с диаметром.

В качестве примеров местных сопротивлений могут служить вентили, задвижки, колена, диафрагмы, и т.п. Местные потери определяются по формуле

которая носит название формулы Вейсбаха. Здесь V_cp – средняя скорость, соответствующая меньшему из сечений подводящего или отводящего трубопровода, _м – коэффициент местного сопротивления.

Потери по длине или потери на трение возникают в прямолинейных трубопроводах постоянного сечения. Они обусловлены вязкостью жидкости и поэтому существуют в трубах с любой сколь угодно малой шероховатостью стенок. Эти потери линейно связаны с длиной трубы, поэтому для их определения используется формула Дарси

где λ– коэффициент потерь на трение (сопротивление трения участка трубы, длина которого равна диаметру).

Определение гидравлических потерь в трубопроводах является одним из основных вопросов гидравлики.

Гидродинамические измерения и приборы

Измерения параметров потока производится с помощью измерительной цепи, состоящей из одного или нескольких датчиков, соединительных элементов и измерительных приборов. Основными измеряемыми параметрами являются перепады давления и расходы (скорости движения) жидкости,

Необходимо различать абсолютное и относительное давления. Абсолютным называется разность давлений между измеряемой величиной и абсолютным вакуумом. Оно измеряется барометрами. Относительным (избыточным) называется разность между измеряемым давлением и давлением, принятым за базовое, в качестве которого часто используют атмосферное. Относительное давление измеряется манометрами.

Абсолютное давление всегда положительно. Относительное давление может быть и отрицательным, если измеряемое давление меньше базового. Такие перепады измеряются вакуумметрами.

Простейшим манометром является стеклянная трубка, верхний конец которой открыт атмосферу, а нижний подключен к приемнику давления. Такое устройство называется жидкостным манометром или пьезометром, поскольку им измеряется пьезометрический напор р/, представляющий собой высоту подъема жидкости под действием давления р (рис. 3, а). Величина давления вычисляется по формуле

p=h

где h– высота подъема жидкости в пьезометре.

Рабочей жидкостью в пьезометре обычно является вода. Этим ограничивается их область применения, т. к. максимальные замеряемые перепады не превышают 1,5-2,0м, что соответствует давлениям 0,15-0,2 атм. (0.15-0,2 МПа).

Кроме пьезометров широкое распространение получили U-образные дифференциальные жидкостные манометры (рис. 3,б), в которые заливается жидкость, имеющая большую плотность, чем та, давление в которой измеряется. Дифференциальными эти манометры называются потому, что ими измеряется разность явлений, подаваемых на оба конца U-образной трубки.

Большие перепады давлений (200-1000 атм.) замеряются механическими манометрами. Очень малые перепады давления измеряются двужидкостными дифференциальными манометрами (рис. 3, в), для которых

Δp=(₁-₂)Δh

Манометры являются измерительными приборами. Устройства, через которые производится отбор сигнала (давления), называются датчиками или приемниками. Они бывают 2-х типов: приемники статического и полного напора.

Приемником статического давления является отверстие в стенке прямолинейного участка трубопровода постоянного поперечного сечения. Отверстие должно быть выполнено по нормали к стенке трубопровода (рис. 4, а). Оно не должно вносить искажений в поток жидкости, поэтому его выполняют диаметром 1-2 мм. Дальнейшее увеличение диаметра нецелесообразно в связи с увеличением инерционности системы замера.

Полный напор измеряется с помощью трубки, установленной параллельно вектору скорости и открытой навстречу потоку (рис. 4, б).

Покажем, что давление, измеряемое с помощью этого датчика, равно полному напору. Для этого запишем уравнение Бернулли (12) для двух сечений линии тока, одно из которых расположено в невозмущенном потоке (индекс 1), а второе у входа в приемник (индекс 0). При z₁=z₀ получим

У входа в приемник давления скорость потока равна нулю (V₀=0), тогда пьезометрический напор, замеряемый этим приемником, будет равен полному напору, т.е.

Отсюда следует, что если в некотором сечении трубопровода расположить приемники полного и статического давлений и подключить их к дифференциальному манометру (рис 5), то из уравнения (19) с учетом формулы (20) можно определить скорость потока в точке А сечения

или

.