Экспериментальные исследования турбулентного режима движения

Ввиду сложности процессов, происходящих ах потоке при турбулентном режиме, изучение коэффициента l главным образом осуществляется экспериментально.

Первые, наиболее полные и интересные по своей методике экспериментальные исследования на латунных трубах с искусственной шероховатостью были выполнены в 1933 г. И.И. Никурадзе.

Аналогичные по методике экспериментальные исследования выполнили в 1938 г. А.П. Зегжда в прямоугольных лотках, а в 1948 г. Г.А. Мурин – в стальных трубах с естественной шероховатостью.

В своих опытах Никурадзе исследовал напорное движение в цилиндрических трубах, имеющих равнозернистую равномерно распределенную шероховатость, которую он создавал путем наклеивания предварительно откалиброванных песчинок высотой D _i на внутреннюю поверхность трубы.

Результаты исследований (рисунок 2.18) представлены на графике в виде семейства кривых, построенных в логарифмическом масштабе по точкам, соответствующим опытам с трубами, имеющими различную относительную шероховатость .

Рисунок 2.18

Первая область – область ламинарного режима движения при Re<2320. Здесь все опытные точки независимо от шероховатости легли на одну прямую линию I, уравнение которой .

Вторая область – расположена между вертикальными линиями II и III, область неустойчивого режима, в которой возможен как ламинарный, так и турбулентный режимы (Re в пределах от 2300 до 4000). В этой области экспериментальные точки имели значительные «разброс».

Третья область – область гидравлически гладких поверхностей при турбулентном режиме. В этой области толщина ламинарной пленки превышает высоту выступов шероховатости, и турбулентное ядро не соприкасается с ними.

Опытные точки расположились на линии IV, уравнение которой . Эта эмпирическая формула была получена в 1913 г. Блазиусом.

Четвертая область – область турбулентного режима доквадратичного сопротивления (переходная от гидравлически гладких к гидравлически шероховатым поверхностям). Эта область лежит между линиями IV и АВ, здесь .

Пятая область – область турбулентного режима квадратичного сопротивления гидравлически шероховатых поверхностей. В этой области, лежащей за линией АВ, .

Общую качественную характеристику зависимостей коэффициента l, полученную для цилиндрических труб, можно распространить и на безнапорные потоки и другие формы поперечного сечения русла. После опытов Никурадзе отпала необходимость создавать расчетные зависимости для различных жидкостей, так как под жидкости учитывается Re.

При практическом пользовании графиком Никурадзе возникли трудности, вызванные тем, что в реальных руслах шероховатость поверхности существенно отличается от равнозернистой (разная форма и высота выступов, неодинаковая частота их размещения на поверхности русла и т.д.).

При этом практически определить шероховатость во многих случаях просто невозможно (например, шероховатость водопроводных труб). В связи с этим введено понятие эквивалентной шероховатости - D _эк, под которой понимается такая высота выступов однородной шероховатости, при которой значение коэффициента l будет таким же, как и при естественной шероховатости.

Формулы для определения коэффициента l для различных гидравлических состояний поверхности при турбулентном режиме приводятся в справочной литературе.

В таблице 2.1 даны некоторые из этих формул и условия их применения.

Таблица 2.1 – Формулы для определения коэффициента l и условия их применения

Режим движения	Re	Формулы для определения l	Примечание
1. Ламинарный	Re < 2320
2. Турбулентный а) поверхность гидравлически гладкая	Re > 2320 2320 < Re <	Формула Блазиуса Формула Г. Филоненко Формула П. Конакова	При Re < 105   При любых числах Рейнольдса
б) переходная область	<Re<	Формула Кольбрука Формула А. Альштуля

Продолжение таблицы 2.1

в) поверхность гидравлически шероховатая

Re >

Формула И. Никурадзе Формула Шифринсона Формула Л. Прандтля

Для равнозернистой шероховатости

Методика определения коэффициента l следующая.

1. Определяется режим движения жидкости.

2. При ламинарном режиме .

3. При турбулентном режиме в начале устанавливается гидравлическое состояние поверхности:

а) при 2320 < Re < - имеют место гидравлически гладкие поверхности;

б) при < Re < - имеет место переходная область (от гидравлически гладких к гидравлически шероховатым поверхностям);

в) при Re > - имеют место гидравлически шероховатые поверхности.

Ниже приведены численные значения эквивалентной шероховатости для некоторых поверхностей, мм.

1. Стеклянные трубы 0,005 ¸ 1,0

2. Цельнотянутые металлические трубы:

латунные 0,005 ¸ 0,01

новые стальные 0,02 ¸ 0,03

стальные находящиеся в эксплуатации 1,2 ¸ 1,5

3. Цельносварные трубы:

новые 0,04 ¸ 0,1

бывшие в эксплуатации 0,1 ¸ 0,15

сильно корродированные 2,0

4. Чугунные трубы:

новые 0,25 ¸ 1,0

бывшие в эксплуатации 1,0 ¸ 1,5

5. Бетонные трубы:

с хорошей затиркой 0,3 ¸ 0,8

среднего качества затирки 2,5

6. Асбоцементные трубы:

новые 0,05 ¸ 0,1

бывшие в эксплуатации 0,6

7. Деревянные поверхности:

из тщательно строганных досок 0,15

тоже из хорошо строганных досок 0,3

Контрольные вопросы

1. В чем отличие турбулентного течения от ламинарного? 2. Чем отличается распределение скоростей в цилиндрическом трубопроводе при ламинарном и турбулентном режимах движения жидкости? При каком режиме имеет место большая неравномерность скоростей и почему? 3. Объясните понятие «гладкие» и «шероховатые» поверхности. Может ли одна и та же труба быть «гидравлически гладкой» и «гидравлически шероховатой»? В каком случае? 4. Объясните основные линии и зоны сопротивления на графике Никурадзе. 5. Какова зависимость между потерей напора и средней скоростью течения жидкости в различных зонах и линиях на графике Никурадзе? 6. От каких факторов зависит коэффициент гидравлического трения при турбулентном течении и по каким формулам его можно определить? 7. Каковы особенности расчета потерь на трение по длине для некруглых трубопроводов?

2.18. Местные гидравлические сопротивления

Величину потери напора, затраченной на преодоление какого-либо местного сопротивления, принято считывать в долях от скоростного напора, соответствующего скорости непосредственно за рассматриваемым местным сопротивлением

где коэффициент местного сопротивления.

Коэффициенты различных местных сопротивлений находятся, как правило, опытным путём. Таблицы с этими коэффициентами имеются в любом гидравлическом справочнике.

Для некоторых важных сопротивлений величина коэффициента x удалось получить теоретически.