Общие вопросы прикладной гидромеханики

Гидродинамические режимы вязкой жидкости

В зависимости от характера движения различают ламинарный и турбулентный режимы течения жидкостей. Установлено, что численная характеристика режима течения может быть осуществлена с использованием критерия Рейнольдса , где в качестве характерного линейного размера используется диаметр трубопровода d.

Ламинарный режим (от лат. lamina — пластинка, полоска) наблюдается при малых скоростях или высокой вязкости жидкости. Характерной особенностью такого течения является движение слоев жидкости параллельными струйками, не смешивающимися друг с другом, причем скорость каждой из них постоянна и направлена вдоль общего течения. Ламинарный режим течения жидкостей наблюдается в трубах при значениях Re < 2300.
При турбулентном режиме (от лат. Turbulentus — бурный, беспорядочный) движение в жидкости носит хаотический характер, слои постоянно перемешиваются. Частицы перемещаются с различными скоростями по неопределенно искривленным траекториям, в то время как вся масса жидкости движется в одном направлении. Устойчивый турбулентный режим течения в трубах наблюдается при значениях Re > 10 000.
В пределах значений Re от 2300 до 10 000 турбулентное движение является неустойчивым (переходная область).
При анализе движения жидкости по трубопроводам сложной конфигурации в критерии Re в качестве характерного линейного размера используют эквивалентный диаметр

где F — площадь сечения канала; П — периметр канала, смоченный жидкостью.


Гидравлическое сопротивление трубопроводов

При движении реальной жидкости по трубопроводам происходит потеря напора или давления, обусловленная сопротивлением трения и местными сопротивлениями, возникающими при изме­нении направления или скорости потока (сужения, расширения, вентили, изгибы и т.д.).

Потери на трение имеют место по всей длине трубопровода и определяются по уравнению Вейсбаха—Дарси
(1.13)
где w_cp — средняя скорость течения жидкости по трубопроводу; λ — коэффициент гидравлического сопротивления, зависящий от режима течения потока. При турбулентном движении λ зависит от шероховатости стенок трубы, которая оценивается величиной относительной шероховатости

где Δ - средняя высота выступов на внутренней поверхности трубы диаметром d.
Исследования сопротивления трения шероховатых труб, выполненные Никурадзе (рис. 1.2), показали, что наблюдаются три характерные области изменения λ в зависимости от режима дви­жения и шероховатости труб:
• ламинарный режим, при котором и ;

• турбулентный режим, где для гидравлически гладких труб

• автомодельная область по отношению к критерию Re (т.е. не зависящая от значения Re) .
Потери давления в местных сопротивлениях выражают как

где ζ - коэффициент местного сопротивления.