Режимы течения жидкости в трубах Опыты показывают, что

Режимы течения жидкости в трубах Опыты показывают, что возможны два режима (два вида) течения жидкостей и газов в трубах: ламинарный и турбулентный. Ламинарным называется слоистое течение без перемешивания частиц жидкости и без пульсаций скоростей и давления. При таком течении все линии тока определяются формой русла, по которому течет жидкость.

При ламинарном течении Ж в прямой трубе постоянного сечения все линии тока направлены параллельно оси трубы, т. е. прямолинейно; отсутствуют поперечные перемещения Ж. Ламинарное течение является упорядоченным и при постоянном напоре строго установившимся течением (в общем случае может быть и неустановившимся). Его нельзя считать безвихревым (нет видимых вихрей, но одновременно с поступательным движением имеется упорядоченное вращательное движение отдельных частиц Ж вокруг своих мгновенных центров с

Турбулентным называется течение, сопровождающееся интенсивным перемешиванием Ж и пульсациями скоростей и давлений. Движение отдельных частиц подобно хаотическому, беспорядочному движению молекул газа. При турбулентном течении векторы скоростей имеют осевые и нормальные к оси русла составляющие, поэтому наряду с продольным перемещением Ж происходят поперечные перемещения (перемешивание) и вращательное движение отдельных объемов Ж. Этим объясняются пульсации скоростей и давления.

Режим течения данной Ж в данной трубе изменяется примерно при определенной средней по сечению скорости течения υкр, которую называют критической. Значение этой скорости прямо пропорционально кинематической вязкости v и обратно пропорционально диаметру d трубы, т. е. υкр = kv/d. Входящий в эту формулу безразмерный коэффициент пропорциональности k одинаков для всех Ж и газов, а также для любых диаметров труб.

Это означает, что изменение режима течения происходит при определенном соотношении между скоростью υкр , диаметром d и вязкостью v: k = υкрd/v. Полученное безразмерное число называется критическим числом Рейнольдса и обозначается Reкp = υкрd/v.

Этот результат согласуется с теорией гидродинамического подобия и число Рейнольдса является критерием, определяющим режим течения в трубах. Как показывают опыты, для труб круглого сечения Reкp 2300. Таким образом, критерий подобия Рейнольдса позволяет судить о режиме течения жидкости в трубе.

При Re < Reкp течение является ламинарным, при Re > Reкp - турбулентным. Вполне развитое турбулентное течение в трубах устанавливается лишь при Re 4000, а при Re = 2300 -4000 имеет место переходная, критическая область. Зная скорость движения Ж, ее вязкость и диаметр трубы, можно расчетным путем найти число Re и, сравнив его с Reкp, определить режим течения жидкости.

Указанные течения жидкости можно наблюдать на приборе, представленном на рис. Рис. Схема прибора для демонстрации режимов течения

Он состоит из резервуара А с водой, от которого отходит стеклянная труба В с краном С на конце, и сосуда D с водным раствором краски. Если приоткрыть кран С и дать возможность воде протекать в трубе с небольшой скоростью, а затем с помощью крана С впустить краску в поток воды, то увидим, что введенная в трубу краска не будет перемешиваться с потоком воды.

Струйка краски будет отчетливо видимой вдоль всей стеклянной трубы, что указывает на слоистый характер течения жидкости и на отсутствие перемешивания. Пьезометр или трубка Пито, присоединенные к трубе, показывают неизменность давления и скорости по времени, отсутствие колебаний (пульсаций). Это и есть ламинарное (слоистое) течение.

При постепенном увеличении скорости течения Ж в трубе открытием крана С картина течения вначале не меняется, но затем при определенной скорости течения наступает быстрое ее изменение. Струйка краски по выходе из трубки начинает колебаться, затем размываться и перемешиваться с потоком воды, причем становятся заметными вихреобразования и вращательное движение Ж. Пьезометр и непрерывные трубка Пито показывают пульсации давления и

Течение становится турбулентным (см. рис. , вверху). Если уменьшить скорость потока, то восстановится ламинарное течение. На практике бывают как ламинарное, так и турбулентное течения: ламинарное наблюдается в основном в тех случаях, когда по трубам движутся вязкие жидкости, например смазочные масла, турбулентное обычно происходит в водопроводах, а также в трубах, по которым перетекают бензин, керосин, спирты, кислоты и другие маловязкие

Смена режима течения при достижении Reкp обусловлена тем, что одно течение теряет устойчивость, а другое - приобретает. При Re < Reкp ламинарное течение является вполне устойчивым: всякого рода искусственная турбулизация потока и его возмущения (сотрясения трубы, введение в лоток колеблющегося тела и пр. ) погашаются влиянием вязкости и ламинарное течение

кp турбулентное течение устойчиво, а ламинарное - неустойчиво. Поэтому число Reкp, соответствующее переходу от ламинарного течения к турбулентному, может получиться несколько больше, чем Reкp для обратного перехода. В лабораторных условиях при отсутствии факторов, способствующих турбулизации, можно получить ламинарное течение при Re, значительно

ламинарное течение настолько неустойчиво, что достаточно малого возмущения (толчка), чтобы оно перешло в турбулентное. На практике обычно Однако имеются условия, способствующие турбулизации (вибрация, местные сопротивления, неравномерность (пульсация) расхода и пр. ), поэтому указанное обстоятельство имеет скорее принципиальное, чем практическое, значение.

Кавитация

При движении жидкости (Ж) в закрытых руслах могут происходить явления, связанные с изменением агрегатного состояния Ж, т. е. с превращением ее в пар, а также с выделением из Ж растворенных в ней газов. Например, при течении Ж через местное сужение трубы увеличивается скорость и

Если рабс при этом достигает значения, равного рн. п. этой Ж при данной температуре, или давлению, при котором начинается выделение из нее растворенных газов, то в данном месте потока начинается интенсивное парообразование (кипение) и выделение газов.

В расширяющейся части скорость потока уменьшается, а давление возрастает, и выделение паров и газов прекращается; выделившиеся пары конденсируются, а газы постепенно вновь растворяются. Это местное нарушение сплошности течения с образованием паровых и газовых пузырей (каверн), обусловленное местным падением давления в потоке, называется

Наглядно это явление можно продемонстрировать на устройстве (рис. ). Вода или иная Ж под давлением в несколько атмосфер подводится к регулировочному крану (вентилю) А и далее протекает через прозрачную трубку Вентури, которая сначала плавно сужает поток, затем еще более плавно расширяет и через кран Б выводит в атмосферу. А Рис. Схема трубки для демонстрации кавитации

При небольшом открытии крана (при малых значениях расхода и скорости Ж) падение давления в узком месте трубки незначительно, поток прозрачен, и кавитация отсутствует. При постепенном открытии крана происходит увеличение скорости Ж в трубке и падение рабс. При некотором значении рабс2 = рн. п, в узком месте трубки появляется видимая зона кавитации, представляющая собой область местного кипения Ж и последующей конденсации

возрастают по мере открытия крана, т. е. при увеличении давления в сечении 1 -1, а следовательно, и расхода. Однако как бы при этом ни возрастал расход, давление в узком сечении 2 -2 сохраняется постоянным потому, что постоянно рн. п. Кавитация сопровождается характерным шумом, а при длительном ее воздействии также эрозионным разрушением

Это объясняется тем, что конденсация пузырьков пара (и сжатие пузырьков газа) происходит со значительной скоростью, частицы Ж, заполняющие полость конденсирующегося пузырька, устремляются к его центру и в момент завершения конденсации (схлопывания пузырька) вызывают местные удары, т. е. значительное повышение давления в отдельных точках. Материал при кавитации разрушается не там, где

При кавитации увеличивается сопротивление трубопроводов (уменьшается их пропускная способность), т. к. каверны уменьшают живые сечения потоков, скорость в которых резко возрастает. Кавитация в обычных случаях - нежелательное явление (ее не надо допускать в трубопроводах и др. элементах). Может возникать во всех местных гидр. сопротивлениях, где поток претерпевает местное сужение с последующим расширением (в кранах, вентилях, задвижках, диафрагмах, жиклерах и др. ).

Возникновение кавитации возможно и без расширения потока вслед за его сужением, а также в трубах постоянного сечения при увеличении геометрической высоты и гидравлических потерь. Кавитация может иметь место в гидромашинах (насосах и гидротурбинах), а также на лопастях быстро вращающихся гребных винтов. В этих случаях следствием кавитации является резкое снижение К. П. Д. машины и затем постепенное разрушение ее деталей, подверженных воздействию кавитации.

В гидросистемах кавитация может возникать в трубопроводах низкого давления (во всасывающих трубопроводах). В этом случае ее область распространяется на значительную часть всасывающего трубопровода или даже на всю его длину. Поток в трубопроводе при этом делается двухфазным, состоящим из жидкой и паровой фаз.

В начальной стадии паровыделения паровая фаза может быть в виде мелких пузырьков, приблизительно равномерно распределенных по объему движущейся жидкости (рис. , а). При дальнейшем парогазовыделении происходит укрупнение пузырьков, которые при горизонтальном расположении трубы движутся преимущественно в верхней части ее сечения (рис. , б). а) б) Рис. Схемы двухфазных потоков

При столь значительной парогазовой фазе нормальная подача Ж по трубопроводу нарушается. Конденсация выделившихся паров (частичная или полная) и растворение газа происходят в насосе, где давление значительно повышается, и в напорном трубопроводе, по которому жидкость движется, под высоким давлением от насоса к потребителю. Кавитация, обусловленная выделением паров Ж, происходит по-разному в однокомпонентных (простых) и

Для однокомпонентной Ж давление, соответствующее началу кавитации, определяется рн. п , зависящим только от температуры, и кавитация протекает так, как было описано выше. Многокомпонентная жидкость состоит из легких и тяжелых фракций. Легкие обладают большей упругостью паров, чем тяжелые, поэтому при кавитации сначала вскипают легкие фракции, а затем тяжелые. Конденсация паров происходит в обратном порядке - сначала выпадают тяжелые фракции, затем - легкие. Паровая фаза в многокомпонентных Ж удерживается дольше, и кавитация

Для характеристики местных гидравлических сопротивлений в отношении кавитации применяется безразмерный критерий, называемый числом кавитации: (1. 69) где p 1 и υ1 - абсолютное давление и скорость потока в сечении трубы перед местным сопротивлением. По своему смыслу число кавитации аналогично числу Эйлера (Eu), оно используется как критерий подобия течений с кавитацией.

Значение x, при котором в местном сопротивлении начинается кавитация, называется критическим числом кавитации xкр. Число xкр определяется в основном формой местного сопротивления, хотя в некоторой степени на него может влиять и число Рейнольдса. Для устройства, как показанная выше трубка Вентури, значение х приближенно можно определить следующим расчетом. Запишем уравнение Бернулли для сечений 1 - 1 и 2 – 2 (см. рис. ), считая, что 1= 2 = 1 и

Определив отсюда p 1, подставим его в формулу (1. 69): Так кавитация возникает при p 2 = рн. п. , то где S 1 и S 2 - площади сечений 1 -1 и 2 -2.

Экспериментальные кавитационные характеристики местных гидравлических сопротивлений получают при постоянном расходе и постепенном уменьшении давления, а затем представляют в безразмерном виде ζ = f (х). При х < xкр коэффициент потерь ζ от х не зависит, а при х = хкр резко возрастает.

На рис. показаны кривые для сопротивлений 1 и 2 при ζ 1 > ζ 2 и хкр 1 > хкр2. Рис. Зависимость коэффициента потерь от числа кавитации Эти кривые справедливы для определенного значения числа Re или для той области чисел Re, где ζ от Re не зависит.

Обычно стремятся к тому, чтобы кавитацию в гидросистемах не допускать. Но иногда это явление может оказаться полезным. Например, оно используется в кавитационном регуляторе расхода, принцип действия которого показан на рис. А Рис. Схема трубки для демонстрации кавитации

Пусть давление в сечении 1 -1 (р1 = рвх) является постоянным (степень открытия крана А неизменная), а давление в сечении 3 -3 (р3=рвых) постепенно уменьшаем, увеличивая степень открытия крана Б. В результате расход через трубку увеличивается, а давление р2 в узком сечении 2 -2 уменьшается.

Так будет происходить до тех пор, пока давление р2 абс не станет равным значению рн. п, при котором в сечении 2 -2 возникнет кавитация. При дальнейшем увеличении степени открытия крана Б область кавитации в узком месте трубки будет увеличиваться, а давление р2 абс будет оставаться равным рнп.

Расход при этом будет сохраняться практически постоянным, несмотря на падение давления р3 и таким образом удается стабилизировать расход жидкости через регулятор в условиях, когда противодавление р3 изменяется от критического р3 кр, соответствующего началу кавитации, до нуля.

Результаты испытании регулятора расхода показывают, что точность стабилизации расхода получается очень высокой (рис. ). Рис. Зависимость расхода жидкости через кавитационную трубку от давлений на входе и выходе

Из графиков на рис. можно сделать два вывода. Во-первых, они наглядно показывают преимущество использования безразмерных величин по сравнению с размерными: несколько кривых на рис. , а заменяются единой кривой на рис. , б. Во-вторых, критерий рвых/рвх = р3/р1 так же, как и x, можно считать критерием кавитации.

Действительно, так как обычно р1>>рн. п , в формуле (1. 69 ) можно принять рн. п=0, а знаменатель пропорциональной ему величиной заменить которая при υ1=υ3 (dl=d 3) представляет собой потерю давления между сечениями 1 -1 и 3 -3 (см. рис. трубки). Тогда получим число кавитации x' , пропорциональное x: В некоторых случаях критерий рвых/рвх оказывается удобнее, чем x.