Гидравлически гладкие и шероховатые трубы

Гидравлически гладкие и шероховатые трубы

Состояние стенок трубы в значитель­ной мере влияет на поведение жидкости в турбу­лентном потоке. Так при ламинарном движении жидкость движется медленно и плавно, спокойно обтекая на своём пути незначительные препятст­вия. Возникающие при этом местные сопротивления настолько ничтожны, что их величи­ной можно пренебречь. В турбулентном же потоке такие малые препятствия служат ис­точником вихревого движения жидкости, что приводит к возрастанию этих малых мест­ных гидравлических сопротивлений, которыми мы в ламинарном потоке пренебрегли. Та­кими малыми препятствиями на стенке трубы являются её неровности. Абсолютная вели­чина таких неровностей зависит от качества обработки трубы. В гидравлике эти неровно­сти стенок трубы называются выступами шероховатости.

Шероховатость характеризуется величиной и формой различных выступов и неровностей, имеющихся на стенках трубы (рис. 5.6).

Рис. 5.6. К понятию абсолютной шероховатости,

гидравлически гладких и шероховатых труб

В качестве основной характеристики шероховатости служит абсолютная шероховатость — , которая равна средней высоте бугорков шероховатости. Отношение абсолютной шероховатости к диаметру трубопровода называется относительной шероховатостью — .

В зависимости от того, как относятся размеры выступов шерохо­ватости и толщина ламинарной пленки, все трубы могут быть при тур­булентном режиме движения подразделены на три вида.

1) Гидравлически гладкие трубы, т.е. толщина ла­минарного слоя больше высоты выступов шероховатости. В этом случае шероховатость стенок не влияет на характер движения и соответственно потери напора не зави­сят от шероховатости.

2) Гидравлически шероховатые трубы, т.е. толщина ла­минарного слоя меньше высоты выступов шероховатости. В этом случае шероховатость стенок влияет на характер движения и соответственно потери напора зави­сят от шероховатости.

3) В третьем слу­чае, являющемся промежуточным между двумя вышеуказанными, аб­солютная высота выступов шероховатости примерно равна толщине ламинарной пленки — d » D. В этом случае трубы относятся к переходной об­ласти сопротивления.

Толщина ламинарной пленки определяется по формуле

. (5.7)

Итак, различают стенки гидравлически гладкие и шероховатые трубы. Такое разделение является условным, поскольку, как следует из формулы (5.7), толщина ламинарной пленки обратно про­порциональна числу Рейнольдса (или средней скорости). Таким обра­зом, при движении вдоль одной и той же поверхности с неизменной вы­сотой выступа шероховатости в зависимости от средней скорости (чис­ла Рейнольдса) толщина ламинарной пленки может изменяться. При увеличении числа Рейнольдса толщина ламинарной пленки d уменьша­ется и стенка, бывшая гидравлически гладкой, может стать шерохова­той, так как высота выступов шероховатости окажется больше толщи­ны ламинарной пленки и шероховатость станет влиять на характер движения и, следовательно, на потери напора.

Для практических расчетов можно принимать ори­ентировочные значения высоты выступа шероховатости для труб: тру­бы новые стальные и чугунные — Δ ≈ 0,45 — 0,50 мм, трубы, бывшие в эксплуатации (так называемые «нормальные»), Δ ≈ 1,35 мм.

Таким образом, зная высоту выступа шероховатости и определив толщину ламинарной пленки, можно опреде­лить гидравлически гладкой или гидравлически шероховатой будет стенка, ограничивающая поток в трубе.

Источник:
http://studopedia.ru/11_13891_gidravlicheski-gladkie-i-sherohovatie-trubi.html

Понятие о гидравлически гладких и шероховатых поверхностях

Экспериментально установлено, что шероховатость внутренней поверхности трубы влияет на потери напора при движении жидкости. Однако это влияние проявляется не всегда.

Труба называется гидравлически гладкой, если средняя высота выступов шероховатости меньше толщины ламинарной пленки (вязкий подслой). В этом случае величина шероховатости не влияет на потери напора. Напомним

Если абсолютная шероховатость больше толщины ламинарной пленки > , то труба называется гидравлически шероховатой. В этом случае шероховатость существенно влияет на движение жидкости.

Относительная шероховатость отнесена к диаметру трубы – относительная шероховатость .

Величина, обратная относительной шероховатости, называется относительной гладкостью .

1*При движении жидкости в трубе степень турбулентности достигает 7–8 %.

В атмосфере степень турбулентности 0,5 – 0,3 %.

2*Иногда эти частицы называют «моли»

3*Раньше считали, что в этом слое движение ламинарное, пульсации в нем отсутствуют, и поэтому называли его «ламинарная пленка». Теперь установлено, что пульсации скорости и напряжений передаются в вязкий подслой. Однако исторически сложившиеся названия «ламинарная пленка», «ламинарный слой», «вязкая пленка» и «вязкий слой/подслой», говоря о двухслойной структуре турбулентного потока, можно употреблять в равной мере.

4Для того чтобы сделать формулу … пригодной для практических вычислений, необходимо заменить в ней пульсационные скорости какими-нибудь другими величинами, связанными с распределением средней скорости. Для этого следует ввести в расчет определенную длину, которую можно понимать либо как диаметр шарообразного скопления частиц жидкости, движущихся как одно целое, либо как путь, который этот шар должен пройти относительно остальной жидкости, чтобы в результате смешения с окружающим турбулентным потоком потерять свою индивидуальность. Заранее нельзя сказать, что обе эти длины в точности равны друг другу, однако можно предполагать, что между ними существует определенная пропорциональность.

Потери напора по длине трубопроводов. Формулы для расчета коэффициента Дарси в круглых трубах для различных режимов и зон трения

Потери по длине или потери на трение возникаю в трубах постоянного сечения, и возрастают пропорционально длине трубы. Этот вид потерь обусловлен внутренним трением жидкости и трением жидкости о стенки трубопровода. Потеря напора по длине выражается по формуле Дарси-Вейсбаха:

где l – коэффициент гидравлического трения по длине, или коэффициент Дарси (безразмерный);

l и d – длина и диаметр трубопровода;

V – средняя скорость потока;

g – ускорение свободного падения.

Для ламинарного режима движения в круглой трубе коэффициент l определяется по теоретической формуле:

где Re – число Рейнольдса.

При турбулентном режиме движения коэффициент l зависит в общем случае от числа Рейнольдса Re и относительной шероховатости Δ/d (где Δ – эквивалентная шероховатость) и определяется по эмпирическим формулам. При этом различают три области гидродинамических сопротивлений – гидравлически гладких труб, переходную и квадратичную.

Как указано в главе 3, потери напора на трение по длине трубы можно подсчитать по формуле Вейсбаха-Дарси:

Расчет потерь на трение не представляет проблем, если известен коэффициент Дарси. Рассмотрим подробно нахождение этого коэффициента.

Многочисленные исследования отечественных и зарубежных ученых показали, что можно выделить 4 основных случая.

I. Вязкое сопротивление (ламинарный режим).

Коэффициент Дарси может быть найден по простой формуле, полученной аналитическим путем:

где B – табличный коэффициент, значение которого определяется формой сечения потока. Для трубы круглого сечения B = 64, таким образом:

II. Гидравлически гладкие трубы (турбулентный режим).

Гидравлически гладкие трубы – это трубы, в которых величина выступов шероховатости не влияет на характер распределения скоростей и на величину потерь напора (стеклянные, цельнотянутые трубы из цветных металлов, высококачественные бесшовные стальные трубы, то есть топливопроводы, трубы гидросистем гидроприводов).

Для развитого турбулентного течения (4000 500 . Наиболее универсальна формула Прандтля-Никурадзе:

,

хотя можно воспользоваться и формулой

которая получается из формулы для доквадратичного сопротивления, если пренебречь величиной отношения .

Следует отметить, что существует довольно большое количество эмпирических формул для определения l, особенно при квадратичном сопротивлении, для более узких условий применения (для определенного типа труб и т.п.), которые можно найти в справочной литературе.

Как видно из приведенных формул, при увеличении Re его влияние на величину l все больше ослабевает.

В завершение этого вопроса следует отметить, что при расчете гидравлических потерь при ламинарном режиме, когда потери на трение (hтр) значительно больше потерь на вихреобразование (hвихр), иногда прибегают к следующему приему: условно местные сопротивления заменяют эквивалентными участками гладкой трубы и расчет гидравлических потерь ведут не по реальной, а расчетной длине трубы:

где lр = lфакт + lэкв. Значения эквивалентных длин находят экспериментальным путем или по справочной литературе.

Дата добавления: 2018-08-06 ; просмотров: 957 ;

Источник:
http://studopedia.net/7_25378_ponyatie-o-gidravlicheski-gladkih-i-sherohovatih-poverhnostyah.html

Гидравлически гладкие и шероховатые трубы.

Шероховатость внутренней поверхности труб может быть различной. Помимо выступов с неодинаковыми размерами и формой может быть и регулярная шероховатость обусловленная технологией. В качестве характеристики шероховатости выбирают среднюю высоту выступов шероховатости Δ. Соотношение между высотой выступов шероховатости и толщиной вязкого подслоя определяет структуру потока.

Структура потока для турбулентного режима в зависимости от скорости жидкости разделяется на область гидравлически гладких, область шероховатых труб и переходную область, это разделение является условным, так как толщина δламинарного слоя зависит от числа Re

При увеличении числа Reтолщина вязкого слоя уменьшается и гидравлически гладкая труба может стать шероховатой, при этом средняя высота шероховатостей на внутренней поверхности трубы не меняется и обычно составляет для новых труб Δ =0,1мм, для старых труб до Δ =1-2 мм.

Читайте также  Как узнать собственника земельного участка по кадастровому номеру и адресу бесплатно

В этих трех областях коэффициент λимеет разные зависимости: Δ – средняя выстота абсолютной шероховатости, δ – высота ламинарного подслоя.

2.Δ>δ. Гидравлически шероховатые трубы. Если высота шероховатости Δ больше высоты вязкого подслоя δ, все неровности выходят в пределы турбулентного ядра, поток обтекает выступы с отрывом, сопровождающимся перемешиванием частиц. Потери на трение зависят только от шероховатости, число Re не влияет на потери.

3. Δ≈δ Область переходная. Высота шероховатостей приблизительно равна толщине вязкого подслоя. На коэффициент сопротивления влияют и шероховатости и число Re.

11.6.Экспериментальное изучение коэффициента λ при равномерной шероховатости.Опыты Никурадзе

Сотрудник Прандтля в Геттингене Никурадзе выполнил опыты по определению сопротивления труб с искусственно созданной равномерно распределенной зернистой шероховатостью на внутренней поверхности.

Иван Ильич Никурадзе (1894-1979 гг.) окончил Тбилисский университет и в составе группы студентов был направлен в 1919 г. в Гетингенский университет (Германия), в 1923 г. успешно защитил докторскую диссертацию, руководителем его был Л.Прандтль. К 1926 г. И.И.Никурадзе получил советский паспорт и написал письмо ректору Тбилисского университета с просьбой принять его на работу. Но после 1926 г. И.И. Никурадзе решил не возвращаться в Советскую Россию.

В 1923 г. И. И.Никурадзе провёл в лаборатории Л.Прандтля блестящее экспериментальное исследование гидравлических потерь на трение по длине труб, получившее всемирную известность и признание как опыты и графики Никурадзе. В 1934 г. первичная ячейка нацистов в университете обвинила Никурадзе в шпионаже в пользу СССР, и Л. Прандтль был вынужден уволить Никурадзе с должности начальника отдела своей лаборатории. После этого события он работал профессором в технических университетах Германии в области гидродинамики.

Шероховатость Никурадзе была получена путем приклейки песчинок определенного размера, полученного просеиванием песка через специальные сита. Сначала внутренние стенки труб покрывались лаком, затем труба заполнялась песком определенной зернистости, с диаметром равным средней неровности ∆, песчинки приклеивались к стенкам однородным слоем, потом опять покрывалась лаком и высушивалась.

Испытания были проведены в диапазоне относительных шероховатостей ∆/rот 1/500 до 1/15, где∆ — высота бугорков, r– радиус трубы, при числах РейнольдсаRe=500 – 10 6 .

Если все бугорки шероховатости имеют один и тот же размер ∆ и одинаковую форму, такая шероховатость называется равномерно распределенной зернистой шероховатостью.

На рис.11.7 представлены результаты этих испытаний и построены зависимости lg(1000λ) =f(lgRe,Δ/ r) для различных значений ∆/r.Эти графики построены для ламинарного и турбулентного режима.Исследования, выполненные Никурадзе, показывают, что имеются разные области для коэффициентов λ при движении жидкости в трубах.

Рис.11.7. Зависимость lg(1000λ) от lgReдля труб с искусственной шероховатостью.

1.При числах Re Re>=2300,область переходная от ламинарного к турбулентному движению.

Уравнение прямой В, определяющей эту область, получено из формулы Блазиуса

умножением на 1000 и логарифмированием

lg(1000λт) = lg316 – (¼)lgRe.

3. При Re>4000турбулентный режим, и под прямой В находится область «гидравлически гладких труб»,где коэффициент сопротивления λ зависит также только от Re.

Штриховыми линиями показаны зависимостиλ для труб с различной относительной шероховатостью ∆/r.

4. Турбулентный режим, переходная областьот гидравлически гладких к шероховатым трубам, при увеличении скорости толщина ламинарного подслоя δл уменьшается и начинает сказываться влияние шероховатости.

λтyже зависит не только от Re, но и от относительной шероховатости,его значения отклоняются от прямой В.

5. Турбулентный режим, область гидравлически шероховатых труб или квадратичная область. Название «квадратичная область» указывает, что λ зависит от скорости в квадрате, это явление называется «автомодельность» по числу Re.

При большихRe коэффициент λт не зависит от числа Re, становится постоянным для данной относительной шероховатости. Участки штриховых линий, соответствующие определенной шероховатости, параллельны оси абсцисс.

При больших числах Re толщина ламинарного подслоя вообще отсутствует, бугорки шероховатости обтекаются потоком с вихревыми образованиями, этим объясняется квадратичный закон сопротивления, характерный для данной области. Область шероховатых труб, где λ зависит только от отношения ∆/r , называется квадратичной или автомодельной зоной.Следует отметить, что средние значения эквивалентной шероховатости новых цельнотянутых труб Δ =0,1мм, бывших в употреблении Δ = 0,2 мм

11.7.Коэффициент λ для реальных шероховатых труб. Относительная шероховатость.Относительная гладкость.

Эксперименты по определению зависимостей для коэффициента λ были выполнены Никурадзена трубах с равномерной искусственной шероховатостью, полученной наклеиванием зерен песка определенного размера.

Поскольку шероховатость внутренней поверхности труб, изготавливаемых промышленностью неоднородна, и выступы неровностей имеют различную форму, размеры и расположение, для сравнения труб с искусственной и естественной шероховатостивведено понятие «эквивалентной шероховатости». Эквивалентная шероховатость определяется по эмпирической формуле, полученной при сопоставлении коэффициентов λ, полученных в трубах с искусственной и с естественной шероховатостью.

При равенстве коэффициента λ для трубы с естественной шероховатостью и с искусственной шероховатостью, эти шероховатости считают эквивалентными.

Эквивалентная шероховатость определяется по формуле

,

где λ определяем из эксперимента. Используя формулу Вейсбаха-Дарси, как во второй лабораторной работе, получаем значения λ и по ним определяем эквивалентную шероховатость в реальных трубах.

Исследованиями Никурадзе и других ученых было установлено, что коэффициент λ зависит от двух факторов: числа Рейнольдсаи шероховатости в трубе.Исследования Мурина в Теплотехническом институте были проведены на реальных трубах, выпускаемых промышленностью. Отличие графика Никурадзе от графика Мурина возникает из-за неравномерности высот и направлений шероховатости в реальных трубах. Часть неровностей может выступать над основной и усреднять результат эксперимента.

Рис.11.8 Зависимость коэффициента λ от Reтруб с естественной шероховатостью.

График на рис.11.8. поделен на три области: область гидравлически гладких труб, переходную область, область гидравлически шероховатых труб.

Источник:
http://poisk-ru.ru/s16220t9.html

Справочник химика 21

Химия и химическая технология

Труба гидравлически гладкая

Если режим обтекания турбулентный (Ке > 3 10 ), а поверхность труб гидравлически гладкая, то при вычислении толщины вытеснения следует использовать универсальный профиль скоростей, например в виде [c.81]

ДЛЯ гидравлически гладких труб и каналов при Ке = 2300 -Ь10 ООО справедлива формула Блазиуса [c.183]

Шероховатость обычно принято характеризовать средней выч сотой выступов на поверхности А. В практических расчетах обычно используют относительную шероховатость, которая для круглой трубы определяется как Д/ в- При ламинарном движении и в турбулентном режиме, когда толщина ламинарного подслоя больше Л, влияние шероховатости стенки пренебрежимо мало. В этом случае труба считается гидравлически гладкой. При больших скоростях ламинарный подслой становится столь тонким, что неровности выходят в ядро, увеличивая его турбулентность, и сопротивление начинает определяться уже не силами вязкости, а силами инерции, возникающими при торможении потока жидкости о выступы. Такие трубы называют вполне шероховатыми. [c.71]

При наличии теплообмена коэффициент сопротивления трения при турбулентном режиме движения среды в гидравлически гладких трубах можно рассчитать по формуле [28] [c.250]

Для расчета коэффициента гидравлического трения гидравлически гладких труб с водными растворами высокомолекулярных полимеров может быть использована формула (2.30). Достаточно надежной расчетной модели для определения коэффициента гидравлического трения Яр в переходной и квадратичной областях гидравлически шероховатых труб с водными растворами высокомолекулярных полимеров построить не удалось. Поэтому значение Яр определяется по формуле [c.63]

Значение коэффициента сопротивления трению зависит от степени шероховатости стенок трубы и от режима течения (ламинарный или турбулентный). При расчетах обычно принимают, что трубы гидравлически гладкие. О характере течения судят по величине числа Не (число Рейнольдса) [c.177]

Коэффициент трения чистого воздуха X для гидравлически гладких и гидравлически шероховатых труб определяется по формуле А. Д. Альтшуля — универсальной для всего турбулентного режима [c.176]

При машинном расчете коэффициента сопротивления трения в турбулентной области движения среды в гидравлических гладких трубах (е кр) — уравнением (10,66) или (10,67). [c.251]

Для гидравлически гладких труб остается в силе универсалы ный профиль скоростей. Для вполне шероховатых труб профиль скоростей удовлетворительно описывается уравнением, подобным [c.71]

Турбулентный стабилизированный поток в круглой гидравлически гладкой трубе > 60 [c.74]

Зависимость коэффициента сопротивления Х от режима те-яения (Ке) и относительной шероховатости вз/ё) графически представлена на рис. 1.28. Для некруглых труб й = с1э. При ламинарном режиме все трубы гидравлически гладкие. Жидкость скользит по поверхности, огибая выступы шероховатостей. Изменение скорости очень влияет на величину К. Значение Я зависит только от Ке, и для каналов круглого сечения Я = 64/Не [см. формулу (1.63)]. Для каналов некруглого сечения уравнением Дарси — Вейсбаха также можно воспользоваться для расчета потерь на трение при ламинарном режиме, причем X == = Л/Ке, где А — коэффициент, значение которого зависит от формы поперечного сечения. Так, для квадратного сечения А — = 57, для кольцевого сечения Л = 96 и т. д. [c.53]

Читайте также  Мастер класс «Костюм одуванчик»

В зоне гидравлически гладких труб (рис. 2-10, а) толщина б вязкого подслоя значительно больше максимальной высоты бугорков шероховатости (8 А ,ах)-При этом бугорки утоплены в вязком подслое, плавно обтекаются с очень малыми скоростями и не влияют на [c.124]

Предельная асимптота характеризует максимально возможную гидравлическую эффективность применения полимеров в гидравлически гладких трубах. [c.62]

Подставляя (2.55) в (2.54) и производя интегрирование, получаем зависимость для вычисления коэффициента сопротивления, применимую к гидравлически гладким трубам [c.76]

Для турбулентных потоков в гидравлически гладких трубах показатель степени п в формуле (2.84) равен приблизительно 0,2. При этом [c.85]

Если размеры выступов шероховатой поверхности невелики, то они оказываются полностью скрытыми внутри ламинарного подслоя. Такие трубы называют гидравлически гладкими (см. также гл. 2). В них шероховатость не оказывает заметного влияния на теплоотдачу. Для вполне шероховатых труб влияние шероховатости на теплоотдачу в сильной степени зависит от значения Рг, возрастая с его увеличением. [c.110]

В процессе эксплуатации установок пневматического транспорта за счет трения частиц о стенки трубы, последняя становится гидравлически гладкой. [c.29]

Первая область — область гидравлически гладких труб. Ей соответствуют числа Рейнольдса в диапазоне 310 Ке р на участке 2-3 и правее имеет место турбулентное движение жидкости. Коэффициент трения на участке 2-3, который соответствует области гидравлически гладких труб, не зависит от шероховатости. Его можно определить по формуле (1.154) или (1.155). [c.57]

Трубы с неравномерной шероховатостью (технические трубы) в области Re > Re2 могут считаться гидравлически гладкими, если (с точностью до 3 %) [c.82]

Сушествует три области течения жидкости область гидравлически гладких труб , переходная и область шероховатых труб. В области гидравлически гладких труб преобладаюшее влияние на сопротивление оказывают вязкостные напряжения. Шероховатость труб при наличии ламинарной пленки пограничного слоя не влияет [c.61]

Для гидравлически гладких труб при турбулентном движении в них однофазных потоков градиенты АЯтр/А — для жидкости и газа могут быть выражены известными зависимостями [c.85]

При Ке > 4000 расчет X для гидравлически гладких труб можно производить по формулам, предложенным рядом авторов. Максимальное расхождениа [c.395]

На рис. 14, заимствованном из [4], приведен коэффициент потерь Кь Д-ля колена на круглой трубе при Re= 10 . Приведенные данные относятся к случаю, когда подводящая и отводящая трубы достаточно длинные и гидравлически гладкие. В [4] приводится также модификация этой формулы, позволяющая учесть зависимость Кь т числа Рейнольдса и длины отводящей трубы. Возможен также учет HiepoxoBaTO TH в том случае, когда поправка к данным для гладких труб не превышает 40% [4], [c.132]

Влияние шероховатости на величину Я. определяется соотношением между средней высотой выступов шероховатости Д и толщиной вязкого подслоя б, движение жидкости в котором можно считать практически ламинарным (см. стр. 47). В некоторой начальной области турбулентного движения, когда толщина вязкого подслоя больше высоты выступов шероховатости (б > Д), жидкость плавно обтекает эти выступы и влиянием шероховатости на величину к можно пренебречь. В указанной области турбу аентного движения трубы можно рассматривать как гидравлически гладкие и вычислять Я по уравнению (11,95). [c.87]

Поэтому для выбора рациональных технологий или энергосберегающих режимов при перекачке реологически сложных жидкостей целесообразно уметь достаточно точно прогнозировать различные аспекты работы данных трубопроводов. Известные детерминированные методы расчета стационарной и нестационарной работы трубопроводов, перекачивающих неньютоновские жидкости, основанные на применении средних по сечению трубы значений рабочей температуры и скорости перекачиваемой жидкости, часто приводят к значительным ошибкам в прогнозе технологических параметров при различных режимах работы участков трубопровода. Новые знания, получе1шые при теоретических и экспериментальных исследованиях процессов гидродинамики и теплообмена при течении аномальных жидкостей по трубам и каналам, позволяют построить достаточно точную математическую модель стационарных и нестационарных режимов работы трубопроводов различных способов прокладки (различные условия теплообмена с окружающей средой) при транспорте реологически сложных жидкостей. Поэтапное построение модели различных аспектов работы трубопровода, т. е. рассмотрение математической модели каждого стационарного и нестационарного гидродинамического режима в отдельности, в свою очередь, позволило выявить ряд таких новых эффектов в динамике течения аномальных жидкостей, как возникновение застойных зон в гидравлически гладкой трубе, режимы гидродинамического теплового взрыва и т. п. [1—4]. Это, в свою очередь, позволило не только понять и объяснить своеобразные режимы работы некоторых действующих нефтепрово- [c.151]

ВЛИЯНИЯ вязкости нефти на пропускную способность трубопровода уменьшается от зоны гидравлически гладких труб к зоне смешан-ногог трения. В квадратичной зоне это влияние совсем исчезает, т. к. т = 0 и х = 1. [c.95]

Такая резко выраженная неизотропность пульсаций распрот страняется по всему сечению, не исключая и зоны потока вблизи оси, для которой всеми проведенными ранее измерениями в гидравлически гладких трубах было обнаружено равенство раз- [c.15]

Из формул сопротивления Никурадзе [470] для шероховатых труб [см. (1.191)] и формулы сопротивления Филоненко-Альтшуля [17, 655] для гладких труб [см. (1.194)] следует, что трубы с рав-номерно-зернистой шероховатостью могут считаться гидравлически гладкими, если [c.80]

Смотреть страницы где упоминается термин Труба гидравлически гладкая: [c.63] [c.71] [c.393] [c.37] [c.125] [c.125] [c.126] [c.36] [c.93] [c.94] [c.118] [c.565] Лабораторный курс гидравлики, насосов и гидропередач (1974) — [ c.124 , c.126 ]

Источник:
http://www.chem21.info/info/22036/

Гидравлические гладкие и шероховатые трубы (русла). Толщина вязкого подслоя (ламинарной пленки)

Шероховатость поверхности водотоков (труб, каналов и т.д.) может быть различной.

Стенка трубы не является абсолютно гладкой. Она имеет выступы и впадины, называемые шероховатостями. Они имеют разную высоту и расположены на разном расстоянии друг от друга. Такая шероховатость называется неравномерной или неравномерно расположенной.

Средняя высота выступов шероховатостей стенки в гидравлике называется и обозначается К или Д. Строго говоря, шероховатость любой стенки трубы или канала является индивидуальной характеристикой и никогда не повторяется полностью на другой стенке. Чтобы можно было сравнивать стенки между собой, в гидравлике вводится понятие равномерной и эквивалентной шероховатости.

Равномерной называется шероховатость, имеющая одинаковую высоту выступов, находящихся на одинаковом расстоянии друг от друга. В природе такая шероховатость не существует. Её можно создать только искусственно. Если поверхность труб и открытых лотков покрыта специально отсортированными зёрнами песка одной фракции, то шероховатость получается равнозернистая и равномерно расположенная по поверхности стенки.

Ее используют только в лабораторных условиях. При этом размеры зёрен являются масштабом зарождающейся турбулентности на стенке.

Выступы технологической шероховатости имеют неодинаковую высоту, форму и плотность распределения по поверхности трубы. Её оценивают некоторой средней высотой ДЭ, называемой эквивалентной шероховатостью.

Поверхность промышленных труб и открытых водотоков обычно неравнозернистая и неравномерно расположенная по поверхности стенки. Она может быть волнистой с различными высотами и длинами волн (или микроволн).

В трубах помимо выступов с неодинаковыми размерами и формой и регулярная шероховатость. Она обусловлена технологией изготовления и назначения труб (например гофрированные трубы). Пример гофрированных труб — гибкие участки в системах холодного, горячего водоснабжения и отопления.

Синтетические гофрированные дренажные трубы различают по очертаниям гофров и относительному расстоянию S/h между вершинами гофров.

В синтетических негофрированных трубах отношение длины S к их высоте h составляет от 15 до 35.

В водотоках, проходящих в песчаных несвязанных грунтах, на дне (а иногда и на откосах) образуются различные формы рельефа (гряды — более крупные образования, рифели — более мелкие). Поверхность этих форм покрыта зернами песка, или других более крупных частиц.

Эквивалентная шероховатость называется абсолютная равномерная шероховатость, которая вызывает также гидравлические потери, как и шероховатость на реальной стенке трубы. Обозначается КЭ или ДЭ.

Читайте также  Клей для зеркал, каким должен быть, правила использования

Абсолютная шероховатость полностью не может характеризовать гидравлическое сопротивление стенки, так как одна и та же её величина в «тонкой» трубе имеет большее значение, чем в «толстой».

Поэтому вводится понятие относительной шероховатости, являющейся отношением эквивалентной шероховатости к диаметру трубы КЭ/d или ДЭ /d. Или к радиусу КЭ /r или ДЭ /r.

Величина, обратная относительной шероховатости называется относительной гладкостью трубы d /КЭ или d/ ДЭ.

Могут быть и другие виды шероховатости с выступами различных размеров по всем трём координатам X,Y,Z. Взаимное расположение элементов шероховатости также может быть различным. Учет конкретных особенностей шероховатости необходим в гидравлических исследованиях и расчетах при проектировании инженерных систем, а также при разработке энергосберегающих мероприятий, связанных с прокачкой различных жидкостей в трубах коррозионностойких покрытий, эмали ПОЛАК (ЭП-21, ЭП-41, ФП-37, которые рекомендованы для антикоррозионной защиты газопроводов, нефтепроводов, инженерных сетей и т. д.).

Для определения коэффициентов гидравлического трения (коэффициента Дарси) никому из исследователей не удалось пока создать единую формулу из-за сложности поведения параметра л в зависимости от числа Рейнольдса, относительной шероховатости, режима течения и структуры потока. Поэтому все случаи течения вязкой жидкости с гидравлическим сопротивлением были разбиты на пять областей или зон:

  • 1) ламинарная;
  • 2) переходная от ламинарного режима к турбулентному;
  • 3) гидравлически гладких труб;
  • 4) переходная (доквадратичная);
  • 5) квадратичная или зона вполне шероховатых труб и развитой турбулентности, автомодельная, зона, где коэффициент гидравлического трения л не зависит от числа Re.

При этом ламинарное течение наблюдается только в первой зоне. Во всех остальных зонах ламинарное течение наблюдается (сохраняется) только в тонкой пленке пристенного приграничного слоя или в вязком подслое. Центральная же часть потока вязкой жидкости называется ядром турбулентности.

Если толщина вязкого подслоя дb превышает толщину абсолютной шероховатости Д (дb > Д), то все неровности полностью погружены в ламинарную пленку. Ядро потока как бы катится по пленке, не чувствуя шероховатости стенок. В этом случае шероховатость стенок не влияет на особенности движения ядра потока и, соответственно, потери напора не зависят от пристенной шероховатости.

Такие стенки условно называют гидравлически гладкими.

Хотя некоторые исследователи (Конт Бело), используя термоанемонитры и другие чувствительные датчики скоростей, показали, что турбулентные пульсации могут проникать вплоть до самой стенки, но они затухают в вязком подслое.

Если высота выступов шероховатости Д превышает толщину вязкого подслоя (Д > дb), нервности стенок выходят в пределы турбулентного ядра.

Поток обтекает выступы с отрывом, сопровождающимся порождением мелкомасштабных вихрей и интенсивным перемешиванием частиц.

В этом случае потери напора на трение сильно возрастают и уже зависят от шероховатости. Такие трубы (или русла) называются гидравлически шероховатыми.

Толщина вязкого подслоя или ламинарной пленки, может быть вычислена по формуле:

где л — коэффициент гидравлического трения (Дарси).

По ней с увеличением числа Re, а также коэффициента Дарси л вязкого подслоя уменьшается.

Разделение стенок (трубы, русла) на гидравлически гладкие и шероховатые условно. Толщина вязкого подслоя дb обратно пропорциональна числу Re и v л. Она при движении потока жидкости вдоль одной и той же поверхности с неизменной высотой выступа шероховатости может изменяться.

При увеличении числа Re толщины дb уменьшается. И стенка, бывшая гидравлически гладкой, проявляет себя шероховатой, так, как высота выступов шероховатости окажется больше толщины вязкого подслоя (Д > дb). Шероховатость станет влиять на характер движения турбулентного ядра и, следовательно, потери напора в трубе возрастают.

Источник:
http://vuzlit.ru/1979466/gidravlicheskie_gladkie_sherohovatye_truby_rusla_tolschina_vyazkogo_podsloya_laminarnoy_plenki

Вопрос № 39. Объясните понятие гидравлически гладких и шероховатых труб. Может ли одна и та же труба быть гидравлически гладкой и гидравлически шероховатой? В каком случае?

Потери напора по длине потока могут весьма существенно зависеть от характеристик шероховатости стенок трубы, в которых происходит движение. Поверхность стенок, ограничивающих поток, всегда отличается от идеально гладкой поверхности наличием выступов и неровностей. Величина и форма этих выступов зависят от материала стенки, от его обработки, условий эксплуатации, в процессе которой возможна коррозия, могут выпасть и осесть на стенках твердые частицы наносов и т.п. Стенки труб покрытые однородными бугорками со средней абсолютной высотой выступа шероховатости, обозначают Δ.

В зависимости от того, как относятся размеры выступов шероховатости и толщина ламинарной пленки, все трубы могут быть при турбулентном режиме движения подразделены на три вида.

Если высота выступов шероховатости Δ меньше, чем толщина ламинарной пленки (Δ

Для последующих практических расчетов можно принимать ориентировочные значения высоты выступа шероховатости для труб: трубы новые стальные и чугунные — Δ ≈ 0,45 — 0,50 мм, трубы, бывшие в эксплуатации (так называемые «нормальные»), Δ ≈ 1,35 мм.

Таким образом, зная высоту выступа шероховатости и определив толщину ламинарной пленки, можно, сравнив их размеры, определить, гидравлически гладкой или гидравлически шероховатой будет стенка, ограничивающая поток в трубе.

Вопрос № 40.Опыты Никарудзе. Основные линии и области (зоны) сопротивления на графике зависимости коэффициента сопротивления трения от числа Рейнольдса при разных значениях относительной шероховатости.

При исследовании во­проса об определении коэффициента потерь напора на трение в гидравлически гладких трубах можно прийти к мнению, что этот коэффициент целиком зависит от числа Рей-нольдса. Известны эмпирические формулы для определения коэффициента трения, наибо­лее широкое распространение получила формула Блазиуса:

По данным многочисленных экспериментов формула Блазиуса подтверждается в пределах значений числа Рейнольдса от до 1-10 5 .

И. И. Никурадзе испытал на сопротивление ряд труб с искусственно созданной шероховатостью на их внутренней поверхности. Шероховатость была получена путем приклейки песчинок определенного размера, полученного просеиванием песка через специальные сита. Тем самым была получена равномерно распределенная зернистая шероховатость.

Первая область — область малых Rе и /г0, где коэффициент от шероховатости не зависит, а определяется лишь числом Rе; это область гидравлически гладких труб. Она не имеет места для максимальных значений шероховатости в опытах И. И. Никурадзе.

Во второй области коэффициент т зависит одновременно от двух параметров — числа Rе и относительной шероховатости.

Третья область — область больших Rе и /г0, где коэффициент не зависит от Rе, а определяется лишь относительной шероховатостью. Эту область называют областью автомодельности или режимом квадратичного сопротивления, так как независимость коэффициента т от Ве означает, что потеря напора пропорциональна скорости во второй степени

Чтобы лучше уяснить эти особенности сопротивления шероховатых труб, необходимо учесть наличие ламинарного слоя

Как указывалось выше, при увеличении Ве толщина ламинарного слоя л уменьшается, поэтому для турбулентного потока при малых Rе толщина ламинарного слоя больше высоты бугорков шероховатости, последние находятся внутри ламинарного слоя, обтекаются плавно (безотрывно) и на сопротивление не влияют. По мере увеличения Rе толщина л уменьшается, бугорки шероховатости начинают выступать за пределы слоя и влиять на сопротивление. При больших Rе толщина ламинарного слоя становится весьма малой, а бугорки шероховатости обтекаются турбулентным потоком с вихре-образованиями за каждым бугорком; этим и объясняется квадратичный закон сопротивления, характерный для данной области.

График И. И. Никурадзе позволяет построить примерную зависимость от Ве допустимой шероховатости, т. е. такого максимального значения, при котором шероховатость трубы еще не влияет на ее сопротивление. Для этого следует взять те точки на графике (см. рис.), в которых кривые для шероховатых труб начинают отклоняться от прямой В для гладких труб. Очевидно, что с увеличением Rе значение допустимой шероховатости уменьшается.

I ламинарное течение жидкости (прямая А),

II турбулентное течение жидкости в гидравлически гладких трубах (прямая В),

III переходная область течения жидкости,

IV квадратичная область течения жидкости,

Дата добавления: 2015-04-18 ; просмотров: 373 ; Нарушение авторских прав

Источник:
http://lektsii.com/2-29539.html