Краткие теоретические сведения. Местные гидравлические сопротивления – это устройства или короткие участки

Местные гидравлические сопротивления – это устройства или короткие участки трубопроводов, на которых имеют место существенные потери энергии, обусловленные изменениями скорости потока по величине и (или) направлению и возникновением вихревых зон.

При выполнении расчетов гидравлических систем считают, что местные гидравлические сопротивления не имеют протяженности и сосредоточены в точках.

На преодоление местных сопротивлений затрачивается часть напора (энергии) потока. Обусловлено это следующим. В результате возникновения вихревых зон частицы жидкости соударяются между собой, что приводит к потере механической энергии, которой они обладают. Кроме того, изменения профиля скоростей потока в местном сопротивлении сопровождаются увеличением относительных скоростей и сил трения между слоями жидкости, а следовательно, дополнительными потерями напора на трение.

При турбулентном режиме течения жидкости в местном сопротивлении превалируют потери напора, обусловленные вихреобразованием, а при лами-нарном режиме – наоборот, существенно увеличиваются потери на трение.

Режимы течения жидкости в местных сопротивлениях крайне неустойчивы. В большинстве случаев даже при низких значениях числа Рейнольдса (Re) режим течения жидкости является турбулентным.

Потери напора в местных сопротивлениях в большинстве случаев могут быть вычислены по формуле Вейсбаха [3, 4]:

, (5.1)

где – коэффициент местного сопротивления (величина безразмерная);

– средняя скорость в сечении трубопровода перед местным сопротивлением или после него (так, например, для внезапного расширения, чаще всего, скорость принимается в сечении перед ним, а для внезапного сужения – наоборот, в сечении после него).

Ввиду большой сложности структуры потока в местных сопротивлениях значения в большинстве случаев могут быть определены только опытным путем. Значение зависит от вида местного сопротивления, его конструктивных размеров, числа Рейнольдса Re, в некоторой степени от шероховатости стенок, а для запорных устройств (кранов, вентилей, задвижек, клапанов и др.) – от степени их открытия.

Исследованиями установлено, что зависит от числа Re лишь при ламинарном режиме движения. В турбулентных потоках при достаточно больших числах Re влияние последних на незначительно, поэтому значения их считают зависящими только от вида и конструктивного исполнения местного сопротивления.

Экспериментальное определение осуществляется на основе уравнения Вейсбаха (5.1).

Рассмотрим методику экспериментального определения коэффициента местного сопротивления. Местное сопротивление (обозначено буквой «М») может быть любого типа. Схема приведена на рисунке 5.1.

Рисунок 5.1 – Схема к определению

В связи со сложностью процессов, протекающих в местных сопротивлениях (разрушение структуры потока, образование вихрей и т. д.), с целью повышения точности эксперимента рекомендуется измерять пьезометрические напоры или давления не непосредственно у местного сопротивления, а на некотором удалении от него. То есть измерения должны производиться в сечениях со стабилизированной, восстановившейся структурой потока. Включать измерители (пьезометры или манометры) рекомендуют на удалении с обеих сторон от местного сопротивления М – (10…50) d, где d – внутренний диаметр трубопровода. Следовательно, (см. рисунок 5.1).

При определении возможны два случая: ; , где и – диаметры трубопроводов (внутренние) на входе и выходе местного сопротивления соответственно.

Исследуемый ниже в лабораторной работе трубопровод с тремя местными сопротивлениями имеет постоянный диаметр. Поэтому рассмотрим более подробно первый случай определения , при котором .

В результате выполнения экспериментов определяются полные напоры в сечениях, к которым подключены измерители. Следовательно, полные напоры и в сечениях 1–1 и 2–2 (рисунок 5.1) будут определены экспериментально. В связи с тем, что напоры и определены не непосредственно у местного сопротивления, а на некотором удалении от него, потери напора

, (5.2)

где – потери в местном сопротивлении (точнее было бы сказать, что это потери, обусловленные наличием местного сопротивления, так как эти потери возникают не только в местном сопротивлении, а и на некотором удалении от него);

– потери на трение по длине трубопровода между сечениями 1–1 и 2–2 при течении стабилизированного потока.

Для определения необходимо создать контрольный участок, на котором затем определяется гидравлический уклон.

Контрольный участок – это участок трубопровода постоянного диаметра со стабилизированным потоком, не содержащий между начальным и конечным сечениями (к которым подключены манометры или пьезометры) местных сопротивлений. На рисунке 5.1 контрольный участок расположен между сечениями 2–2 и 3–3.

Гидравлический уклон

, (5.3)

где , – полные напоры в начале и в конце контрольного участка, м;

– длина контрольного участка, м.

Следовательно, гидравлический уклон величина безразмерная, равная величине потерь полного напора на участке трубопровода длиной 1 м.

Тогда потери давления на трение по длине трубопровода между сечениями 1–1 и 2–2 при течении стабилизированного потока

, (5.4)

где – расстояние между сечениями 1–1 и 2–2, .

Таким образом, для экспериментального определения коэффициента местного сопротивления необходимо:

1) из формулы Вейсбаха (5.1) выразить :

; (5.5)

2) экспериментально определить потери напора в местном сопротивлении и среднюю скорость течения жидкости , а затем вычислить .

Для нахождения нужно определить полные напоры перед местным сопротивлением и после него и , а также гидравлический уклон на контрольном участке.

Тогда

, (5.6)

где – расстояние между сечениями участка, включающего исследуемое местное сопротивление.

В случае, когда (решается, например, задача экспериментального определения для таких местных сопротивлений как внезапное расширение или внезапное сужение), величина вычисляется из выражения

, (5.7)

где и – гидравлические уклоны, определенные на контрольных участках с диаметрами и , то есть в этом случае нужно создавать два контрольных участка;

– расстояние от сечения 1–1 до местного сопротивления (диаметр трубопровода );

– расстояние от местного сопротивления до сечения 2–2 (диаметр трубопровода ).

Проведение испытаний

Прежде, чем приступить к выполнению лабораторной работы, необходимо изучить разделы 1 и 2.

Объектом испытаний в данной работе является стальной трубопровод (от сечения 1-1 до сечения 5-5), содержащий три гидравлические местные сопротивления: обратный клапан (без пружины); колено (поворот на 90 градусов) и постоянный гидродроссель ДР1 (рисунок 5.2).

Размеры на схеме приведены в мм. Трубопровод содержит: клапан обратный КО (без пружины), колено (поворот на 90 градусов) и постоянный гидродроссель ДР1 (диаметр 3 мм, толщина стенки 1,5 мм), контрольный участок (расположен между сечениями 3-3 и 4-4).

5.2.1 Подготовка установки к работе. Перед включением стенда необходимо убедиться, что:

– маховик управления регулятора расхода РР полностью вывернут против часовой стрелки (указатель положения маховика установлен в позицию «1»);

– тумблеры управления гидрораспределителями Р1 и Р2 установлены в положение «Выкл.»;

– тумблер установки режима работы электронного секундомера установлен в положение «Ручн.», а тумблер включения питания секундомера установлен в нижнее положение.

Рисунок 5.2 – Схема объекта исследований

5.2.2 Проведение эксперимента. Включить электрическое питание стенда («Сеть»), электродвигателя М (кнопка «Пуск»), питание электронного секундомера (тумблер установить в положение «Вкл.»). Дать возможность поработать стенду в течение 3…5 мин.

Включить тумблер Р1 в верхнее положение «Вкл. 1». При этом жидкость от насоса через распределитель Р1 направляется к исследуемому трубопроводу (установлен на средней панели стенда).

При различных настройках регулятора расхода РР необходимо провести 4 опыта. Первый опыт проводить при минимальном, а последний – при максимально возможном расходах (смотреть по расходомеру РА).

В каждом опыте необходимо измерять:

– давления Р_j1 – Р_j5 по манометрам МН1 – МН5 (индекс j соответствует номеру опыта);

– время t_j прохождения через расходомер объема жидкости W_ж, с.

Объемом W_ж необходимо задаться, приняв его, например, равным во всех опытах 5·10^{-3 м3} (5 л);

– температуру рабочей жидкости Т_j, ^о С (по термометру).

Результаты измерений занести в таблицу 5.1.

Таблица 5.1 – Результаты исследований

После выполнения всех опытов необходимо отключить установку.

Обработка результатов

Кинематическая вязкость ν_j (см. таблицу 5.1) определяется при Т_j по графику , который имеется в лаборатории (в качестве рабочей жидкости используется масло для гидрообъемных передач МГЕ-46 В).

Расход жидкости в трубопроводе (см. таблицу 5.1):

_j = W_ж / t_j .

В таблице 5.2 приведены результаты обработки данных эксперимента.

Средняя скорость потока

V_j = Q_j / А_тр,

где А_тр – площадь сечения трубопровода (внутренний диаметр трубопровода d = 6·10^–3 м (6 мм)), м² .

Число Рейнольдса:

Коэффициент Кориолиса α_j=2 при Re_j < 2320 и α_j = 1 при Re_j > 2320.

Пьезометрический напор

,

где – давление (Па) в -м опыте и в -м сечении;

– плотность жидкости, = 890 кг/м³.

Таблица 5.2 – Результаты обработки экспериментальных данных

Скоростной напор:

.

В пределах опыта скоростной напор – величина постоянная, а пьезометрические напоры изменяются как при переходе от одного опыта к другому, так и при изменении сечения.

Полный напор:

.

Гидравлический уклон (определяется на контрольном участке)

,

где – длина контрольного участка (см. рисунок 5.2), м .

Потери напора на местных сопротивлениях (КО, К и ДР1) вычисляются по формуле (5.6) в соответствии с изложенной в подразделе 5.1 методикой.

Так, если нужно определить потери напора на клапане обратном КО, например, в первом опыте ( ), то

,

где – полный напор (первый индекс – номер опыта, второй индекс – номер сечения);

– полный напор в первом опыте в сечении 2-2;

– гидравлический уклон в первом опыте;

– расстояние между сечениями 1-1 и 2-2 (по схеме на рисунке 5.2 50 + 50 = 100 мм = 0,1 м).

Аналогичный подход используется как при определении потерь напора на клапане обратном в других опытах, так и при определении потерь на других сопротивлениях. Нужно только при определении потерь использовать соответствующие напоры в сечениях , гидравлические уклоны и длины участков, на которых между двумя смежными сечениями установлено исследуемое местное сопротивление. После вычисления всех потерь напора на местных сопротивлениях по формуле (5.5) определяются для четырех опытов численные значения , и .

После заполнения таблицы 5.2 нужно построить графические зависимости , и . Построение можно выполнить на одном рисунке. Полученные значения коэффициентов местных сопротивлений нужно сравнить со справочными данными [4].

Контрольные вопросы

1 Дать определение местного сопротивления, назвать основные виды местных сопротивлений.

2 Объяснить причины, вызывающие потери напора в местных сопротивлениях.

3 В чем заключается методика экспериментального определения z_м?

4 С какой целью определяются гидравлические уклоны?

5 Какие факторы влияют на величину z_м при ламинарном и турбулентном режимах течения?

6 Назвать справочные значения z_м для исследуемых местных сопротивлений.

Поиск по сайту: