Рух рідини в трубах - студопедія
У турбулентному потоці швидкість руху частинок рідини безпосередньо біля стінки труби дорівнює нулю. За рахунок в'язкості рідини на стінці труби утворюється тонкий загальмований шар, який називається прикордонним шаром. швидкість на кордоні якого становить 98-99% від швидкості потоку.
Прикордонний шар складається з вузького подслоя і перехідного шару, що знаходиться між турбулентним ядром потоку і подслоем (рис. 4.10).
Мал. 4.10. Прикордонний шар: 1 - вязкостний подслой; 2 - перехідний шар; 3 - ядро
Усередині прикордонного шару може існувати як турбулентний, так і ламінарний рух в залежності від числа Рейнольдса
де - швидкість на зовнішній границі прикордонного шару.
У турбулентному ядрі в результаті інтенсивного перемішування і пульсацій швидкостей частинок рідини розподіл швидкостей по живому перерізу потоку більш рівне в порівнянні з ламінарним режимом руху. Рух в ядрі практично не залежить від в'язкості, градієнт швидкості близький до нуля, і можна вважати, що воно практично відповідає руху ідеальної рідини. Як показали досліди, відношення середньої швидкості V до максимальної по центру труби знаходиться в межах. Ставлення швидкостей зростає зі збільшенням числа Рейнольдса (), при цьому на ставлення впливає шорсткість стінок труби (рис. 4.11).
Теоретично і подверждено результатами дослідів в трубах, що місцева швидкість відповідає середній швидкості V в точці, що знаходиться на відстані від стінки труби.
Мал. 4.11. Розподіл швидкостей в круглій трубі:
1 - епюра швидкостей при турбулентному русі;
2 - епюра швидкостей при ламінарному русі
Слід зазначити, що коефіцієнт нерівномірності розподілу швидкостей в трубі при турбулентному русі. тоді як при ламінарному русі. При вирішенні різних гідравлічних задач в разі турбулентного режиму руху приймається.
Товщина подслоя, отримана теоретичним шляхом,
Таким чином, товщина вязкостного подслоя залежить від діаметра, числа Рейнольдса і коефіцієнта гідравлічного опору.
Проведені дослідження показали, що шорсткість внутрішньої поверхні труб впливає на розподіл швидкостей в живому перетині потоку рідини і на втрати напору по довжині.
Труби виготовляються з різних матеріалів (сталь, чавун, бетон, скло, полімери тощо). Спосіб виготовлення і вид матеріалу впливають на шорсткість труби. Шорсткість визначається висотою виступів і нерівностей на поверхні стінок труб. З плином часу на поверхні труб з'являються іржа, корозія, відкладення солей і опадів, що також впливатиме на шорсткість.
Характеристикою, що виражає шорсткість, служить середня висота виступів і нерівностей. Така середня висота, виражена в одиницях довжини, називається абсолютною шорсткістю і позначається буквою. Фактично шорсткість поверхні неоднорідна по довжині труб. На розподіл швидкостей і втрати напору впливає діаметр труби при однаковій абсолютній шорсткості. Тому для визначення цього впливу шорсткості і діаметра d введено поняття відносної шорсткості труби (рис. 4.12).
Як показали досліди з трубами, на втрати напору впливає не тільки середня висота виступів. але і ступінь, форма, густота і характер їх розташування. Для спрощення впливу цих обставин було введено уявлення про еквівалентної шорсткості. Еквівалентної шорсткістю називається висота виступів піщинок однакового розміру, при якій коефіцієнт гідравлічного тертя відповідає дійсній природною шорсткості труби. Відносна еквівалентна шорсткість -.
На підставі вищевикладеного можна вважати, що при турбулентному русі втрати напору по довжині можуть залежати як від числа Рейнольдса Re, так і від відносної еквівалентної шорсткості.
Коефіцієнт гідравлічного тертя можна виразити у функціональному вигляді:
Залежно від товщини вязкостного подслоя і прикордонного шару труби можна розділити на гідравлічно гладкі і шорсткі. У разі коли вязкостний подслой більше шорсткості. тобто всі западини і виступи занурені в подслой. така поверхня стінки називається гідравлічно гладкою.
Втрати напору не залежатимуть від шорсткості:.
Мал. 4.12. Шорсткість стінки труби:
а - абсолютна шорсткість;
б - гідравлічно гладка поверхня стінки труби;
в - шорстка поверхня труби
За умови виступи виходять за межі вязкостного подслоя і поверхня стінки є шорсткою.
Виступи, що виходять за подслой, сприяють активізації перемішування частинок, виникненню вихреобразования в подслое і прикордонному шарі. Втрати напору будуть залежати від відносної шорсткості труби. .
При турбулентному русі коефіцієнт визначається за емпіричними формулами.