Понятие о гидравлической шероховатости


Шероховатость стенок, ограничивающих поток, является основной причиной, вызывающей его турбулизацию. Причем значительную роль, в механизме турбулизации, играет толщина пристенного слоя.

В условиях ламинарного течения – при малых скоростях движения частиц, воздействие неровностей незначительно и возмущающие импульсы гаснут вблизи стенки, не разрушая струйчатой структуры потока.

При больших скоростях движения жидкости, струйки, отбрасываемые выступами стенки, обладают достаточной энергией, чтобы проникнуть в ядро потока, вызывая, тем самым, перемешивание и разрушая его струйчатую структуру.

В зависимости от состояния внутренней поверхности трубопровода различают три вида шероховатости – неравномерная (рис. 6.4а), равномерная (рис. 6.4в) и волнистая (рис. 6.4с). Высоту неровностей на внутренней поверхности трубопровода называют абсолютной шероховатостью и обозначают символом D.

Во многих случаях удобно пользоваться понятием эквивалентная шероховатость, при которой потери напора на преодоление сопротивлений равны потерям в трубопроводе с натуральной шероховатостью для одинаковых условий течения

,(6.18)

где - коэффициент, зависящий от характера расположения выступов и их формы;

- абсолютная шероховатость, м.

Установлено, что одна и та же величина абсолютной шероховатости совершенно не оказывает влияние на сопротивление трубы большого диаметра и, в тоже время, может существенно увеличить сопротивление трубы малого диаметра. Поэтому для определения коэффициента гидравлического сопротивления в расчетные зависимости вводят понятия относительной величины шероховатости.

Отношение абсолютной шероховатости к диаметру трубопроводу называется относительной шероховатостью, а обратная величина - относительной гладкостью.

Как показывают опыты, величина в самом общем случае зависит от диаметра трубопровода, скорости движения жидкости, плотности и вязкости жидкости и величины абсолютной шероховатости

,(6.19)

а на основании теории подобия и анализа размерностей было установлено, что коэффициент (4.24) является функцией числа Рейнольдса и относительной шероховатости , т.е.

. (6.20)

Поэтому достоверность расчета потерь напора при турбулентном движении во многом зависит от правильного определения коэффициента гидравлического сопротивления .

С целью установления расчетных зависимостей для определения коэффициента гидравлического сопротивления  рассмотрим понятие о гидравлической шероховатости труб.

Как уже указывалось ранее, у стенки трубопровода образуется пристенный слой с ламинарным течением жидкости, толщина которого зависит от числа . В зависимости от толщины пристенного слоя и условий течения жидкости одна и та же труба с постоянной величиной шероховатости может быть гидравлически гладкой и гидравлически шероховатой (Рис. 6.5).

Если толщина пристенного слоя достаточно велика и выступы шероховатости полностью погружены в этот слой , поток слабо турбулизован. Ламинарный пристенный слой образует гладкую оболочку, в которой протекает ядро потока. В этом случае труба считается гидравлически гладкой.

С увеличением числа Рейнольдса толщина ламинарного пристенного слоя уменьшается (6.14), выступы шероховатости обнажаются , т.е. начинают омываться турбулентным ядром потока, труба становится гидравлически шероховатой.

Таким образом, потери напора по длине потока при турбулентном режиме движения жидкости не будут зависеть от материала и состояния внутренней поверхности трубопровода до тех пор, пока существует пристенный слой толщиной больше чем величина абсолютной шероховатости.

Только что рассмотренное понятие о гидравлической шероховатости труб позволяет сделать заключение о наличии пяти зон течения жидкости в трубопроводе и еще более уточнить вид функциональной зависимости для определения коэффициента гидравлического сопротивления .

зона – ламинарный режим движения жидкости. Коэффициент гидравлического сопротивления в этой зоне зависит только от числа Рейнольдса и равен (5.13).

зона – переходная зона от ламинарного движения жидкости к турбулентному движению с гидравлически гладкими трубами. В этой зоне величина выступов шероховатости также не оказывает влияния на параметры потока и функциональная зависимость для определения коэффициента гидравлического сопротивления имеет вид .

зона – турбулентный режим, зона гидравлически гладких труб. В этой зоне, как и в первых двух зонах, коэффициент гидравлического сопротивления является функцией только числа Рейнольдса, так как пристенный слой полностью покрывает выступы шероховатости .

зона – турбулентный режим, переходная зона от гидравлически гладких труб к гидравлически шероховатым трубам. В этой зоне при выступы шероховатости начинают оказывать влияние на параметры потока, и коэффициент гидравлического сопротивления зависит как от числа Рейнольдса, так и от относительной шероховатости .

зона – турбулентный режим, зона гидравлически шероховатых труб. При достаточно малой толщине пристенного слоя число Рейнольдса не оказывает влияния на течение жидкости, и коэффициент гидравлического сопротивления является функцией только относительной шероховатости .

Прежде чем перейти к конкретным зависимостям для расчета коэффициента гидравлического сопротивления , рассмотрим график Никурадзе, на котором также могут быть выделены пять зон течения жидкости.