Потери напора на внезапном расширении

Цель работы: экспериментально определить потери напора и распределения статических давлений (пьезометрических напоров) вдоль рабочего участка с внезапным расширением трубопровода, определить коэффициент местного сопротивления.

Основы теории

Одним из наиболее часто встречающихся местных сопротивлений является резкое изменение сечения трубы на пути движения жидкости, как это показано на рис. 17. При этом происходит деформация потока, образуется застойная зона, в которой вязкая жидкость участвует в вихревом движении, на поддержание которого затрачивается отбираемая от потока энергия.

Рис. 17. Внезапное расширение потока

Основная формула (получена Бордом), связывающая величину потерь напора с параметрами потока и характерными размерами, имеет вид:

,

где V₁ и V₂ − средние скорости в сечениях до и после расширения.

Используя уравнение неразрывности, её преобразуют к одной из следующих форм:

или

,

где s₁ и s₂ − площади нормальных сечений; ζ_1вн.р, ζ_2вн.р − коэффициенты потерь на внезапном расширении, определённые по скорости V₁ или V₂ соответственно.

Следует подчеркнуть, что данные формулы получены из теоретической схемы, в которой игнорируются потери на трение, а также предполагается равномерное распределение скоростей в сечениях труб. Поэтому коэффициент ζ_вн.р оказывается независимым от числа Рейнольдса, а сама формула отражает лишь так называемый квадратичный участок кривой, где в реальных условиях влияние числа Рейнольдса отсутствует.

При определении коэффициента местного сопротивления необходимо иметь в виду, что за местным сопротивлением, где поток претерпевает значительную деформацию, лежит достаточно протяжённый «участок стабилизации», на котором существуют крупные вихри с возвратными течениями. Поэтому экспериментальный коэффициент местного сопротивления должен учитывать полные потери на участке стабилизации, а значит должен явно зависеть от числа Рейнольдса. Совпадение с теоретической формулой Борда можно ожидать только при весьма больших числах Рейнольдса.

Существует, по крайней мере, два подхода к экспериментальному определению коэффициента потерь при внезапном расширении.

Первый состоит в его определении по измерениям давлений и скоростей в двух контрольных сечениях. При таком способе учитываются не только потери на внезапном расширении, но и потери трения на контрольном участке.

Согласно другому подходу, из полной потери напора исключают потери на трение. Для этого по результатам измерений строят линию энергии по длине участка расширения, из которой исключают рассчитанные потери на трение по формуле равномерного движения.