Понятие о гидравлически гладкой и шероховатой поверхности

Экспериментальными исследованиями установлено, что потери напора по длине при турбулентном движении зависят не только от степени турбулентности потока, но и от гидравлического состояния поверхности.

Стенки русла в общем случае не обладают абсолютно гладкой поверхностью, а имеют выступы и впадины различных размеров. Эти неровности называют шероховатостью, а высоту выступов обозначают D. Различают равнозернистую (рисунок 2.17, а) и неравнозернистую шероховатость (рисунок 2.17, б)

Рисунок 2.17

При турбулентном режиме движения возможны следующие соотношения между шероховатостью D и толщиной ламинарной пленки d_пл.

а) d_пл > D - ламинарная пленка покрывает выступы шероховатости, турбулентное ядро скользит по слою ламинарной пленки, потери напора по длине не зависят от шероховатости и определяются в основном вязкостным трением. Этот случай соответствует гидравлически гладким поверхностям. Потери напора по длине зависят от средней скорости в степени меньше двух.

б) d_пл < D - происходит воздействие выступов шероховатости на турбулентное ядро, увеличивается интенсивность вихреобразования, частицы жидкости ударяются о шероховатость. Этот случай соответствует гидравлически шероховатым поверхностям. Потери напора зависят от средней скорости в степени около двух.

в) d_пл » D - переходная (от гидравлически гладких к гидравлически шероховатым поверхностям) область сопротивления. Потери напора по длине зависят как от высоты выступов шероховатости, так и от вязкого трения.

Примечание. Гидравлическое состояние поверхности – понятие относительное, зависящее от степени турбулентности потока. При небольших числах Re поверхность русла может быть гидравлически гладкой, а с увеличением турбулентности толщина d_пл уменьшается и поверхность русла переходит в другое гидравлическое состояние.