КАТЕГОРИИ: Архитектура-(3434)Астрономия-(809)Биология-(7483)Биотехнологии-(1457)Военное дело-(14632)Высокие технологии-(1363)География-(913)Геология-(1438)Государство-(451)Демография-(1065)Дом-(47672)Журналистика и СМИ-(912)Изобретательство-(14524)Иностранные языки-(4268)Информатика-(17799)Искусство-(1338)История-(13644)Компьютеры-(11121)Косметика-(55)Кулинария-(373)Культура-(8427)Лингвистика-(374)Литература-(1642)Маркетинг-(23702)Математика-(16968)Машиностроение-(1700)Медицина-(12668)Менеджмент-(24684)Механика-(15423)Науковедение-(506)Образование-(11852)Охрана труда-(3308)Педагогика-(5571)Полиграфия-(1312)Политика-(7869)Право-(5454)Приборостроение-(1369)Программирование-(2801)Производство-(97182)Промышленность-(8706)Психология-(18388)Религия-(3217)Связь-(10668)Сельское хозяйство-(299)Социология-(6455)Спорт-(42831)Строительство-(4793)Торговля-(5050)Транспорт-(2929)Туризм-(1568)Физика-(3942)Философия-(17015)Финансы-(26596)Химия-(22929)Экология-(12095)Экономика-(9961)Электроника-(8441)Электротехника-(4623)Энергетика-(12629)Юриспруденция-(1492)Ядерная техника-(1748) |
Учет неизотермичности движения жидкости в трубах
В приведенных в настоящем параграфе рекомендациях по определению потерь энергии предполагается, что движение жидкости происходит при постоянной температуре, т. е. потоки изотермические. В условиях перепадов температур происходит теплообмен, изменяются температура жидкости потока, плотность, вязкость, а следовательно, и значения коэффициента гидравлического трения λ. Для неизотермических потоков для определения потерь напора также используются приведенные выше расчетные зависимости, но вводятся при этом те или другие поправки. Часто учет неизотермичности процесса движения жидкости производится через посредство введения поправки на значение коэффициента λ. Обозначим: λТ — коэффициент гидравлического трения при неизотермическом, а λ — при изотермическом движении жидкости; nu cт— динамический коэффициент вязкости жидкости при температуре стенки трубы, а η — при средней температуре жидкости. Тогда одна из приближенных рекомендаций имеет вид [4] λτ = λ(ηcτ/η)0,14. Из этой формулы следует, что если температура стенки трубы меньше температуры жидкости, то ηcτ>η, а следовательно, значения λτ увеличиваются по отношению к λ. Если температура стенки трубы больше температуры жидкости, то nuСT<nu, и, следовательно, значения λτ уменьшаются по отношению к λ. Потери давления в трактах котельных установок при развитых турбулентных режимах определяются с учетом поправочного коэффициента kт на температуру, так что Здесь Тст, T — абсолютные средние температуры стенок тракта и движущейся среды, dэ — эквивалентный диаметр. Газоходы рассчитываются по участкам, на каждом из которых принимаются средние температуры и скорости. § 6.2. ЗАВИСИМОСТЬ КОЭФФИЦИЕНТА ГИДРАВЛИЧЕСКОГО ТРЕНИЯ ОТ ЧИСЛА РЕЙНОЛЬДСА И ШЕРОХОВАТОСТИ, ГРАФИЧЕСКИЕ ПРЕДСТАВЛЕНИЯ ПО ОПЫТАМ ДЛЯ ТРУБ С ИСКУССТВЕННОЙ И ТЕХНИЧЕСКОЙ ШЕРОХОВАТОСТЬЮ Как при ламинарном, так и при турбулентном режимах движения в трубопроводах путевые потери напора определяются формулой Дарси — Вейсбаха (6.17) Коэффициент гидравлического трения λ в общем случае является функцией числа Рейнольдса и относительной гладкости (шероховатости) труб, λ=f (Re, r/k). Ho эта зависимость при различных условиях движения разная. При ламинарном режиме движения λ зависит только от числа Рейнольдса Re=vd/v, т. е. от скорости потока, диаметра трубопровода и вязкости жидкости. Путевые потери hf пропорциональны средней скорости в первой степени. При турбулентном режиме движения lam=8g/С2, где С —коэффициент скорости в формуле Шези; здесь λ зависит в общем случае как от входящих в число Рейнольдса параметров, так и от шероховатости стенок труб. Коэффициент гидравлического трения при искусственной шероховатости трубопроводов Первые систематические опытные исследования для определения λ в зависимости от Re и относительной гладкости r/k трубопроводов в широком диапазоне изменений параметров были выполнены И. И. Никурадзе (1933). В результате были построены универсальные графические зависимости (рис. 6.2) в логарифмических координатах. По оси ординат отложены lg 100λ, а по оси абсцисс lg Red. Опыты проводились в диапазоне чисел Re дo 106 и при относительных гладкостях труб r/k= 15-507. Каждой определенной относительной гладкости соответствует отдельный график. Равномерно распределенная зернистая шероховатость труб создавалась искусственно путем наклейки на внутреннюю поверхность труб калиброванного просеиванием кварцевого песка с определенными размерами частиц. Значения λ вычислялись из (6.17), для чего по данным опытов принимались значения hf, l, d, v Рис. 6.2 . На рис. 6.2 имеются: зона ламинарного режима (прямая AB); зона турбулентного режима, включающая в себя области гидравлически гладких труб II (прямая CD), доквадратичного сопротивления III, квадратичного сопротивления IV. Зона ламинарного режима I. Здесь все опытные точки для труб с разной относительной гладкостью находятся на прямой AB, с предельным значением абсцисс точек до Re = 2300, что соответствует lg Re = 3,36. Следовательно, в этой зоне шероховатость труб не влияет на сопротивление движению и не сказывается на значениях λ, которое здесь равно λ = 64/Re, что ранее было получено теоретически. Потери напора hf пропорциональны средней скорости в первой степени. Переходной участок BC небольшой, находится в диапазоне чисел Re = 2300-4000 (3,3<lgRe<3,6) и соединяет зоны ламинарного и турбулентного режимов. Здесь происходит смена режимов движения (участок перемежающейся турбулентности), значения λ существенно увеличиваются. Режим движения неустойчивый, сначала в отдельных местах потока возникают и исчезают очаги турбулентного движения, а затем к концу участка превалирует турбулентное движение. Область гидравлически гладких труб II. Эта область относится уже к зоне турбулентного движения. Здесь на участках прямой CD опытные точки для труб разных относительных гладкостей располагаются совместно. Из этого следует, что на этих участках несмотря на турбулентный режим движения коэффициент λ не зависит от шероховатости, а является функцией Lam=f(Re). Чем больше относительная гладкость трубы (т. е. чем меньше шероховатость), тем при больших числах Re происходит срыв с прямой CD графиков, соответствующих разным гладкостям. График для r/k=15 сразу сходит с прямой CD, а график при r/k = 507 сходит последним. Совместное расположение на прямой CD точек, соответствующих разным относительным гладкостям, объясняется тем, что при этом толщина δ вязкого (ламинарного) подслоя на стенках трубы больше высоты выступов, δ > k. Происходит безотрывное обтекание выступов, возмущения от шероховатости гасятся в ламинарном подслое, общая целостность подслоя не нарушается. В целом шероховатость стенок не сказывается на значениях λ, турбулентное ядро движется внутри оболочки ламинарного подслоя и не имеет контактов с выступами. G увеличением скоростей в трубе и ростом числа Re значения δ уменьшаются. Отделение графиков с прямой CD начинается с момента, когда становится δ = k. Затем по ходу процесса при δ< <k выступы находятся в контакте с турбулентным ядром, тормозят его движение и сказываются на значениях λ. Область II называется областью гидравлически гладких труб, а трубы, эксплуатирующиеся при δ>k, называются гидравлически гладкими. После отделения графиков от прямой CD δ<k здесь трубы являются уже шероховатыми. На прямой CD приближенно hf~ ~v1,75. Используется понятие нижних предельных чисел Рейнольдса как абсцисс точек схода с прямой CD графиков, соответствующих различным относительным гладкостям [35]; рекомендуется принимать Red. пр = 316 (r/k)0,085. Область доквадратичного сопротивления III. Эта область ограничена слева прямой CD, а справа кривой EF, которая проведена так, чтобы далее за ней графики были параллельными оси абсцисс. Это переходная область от гидравлически гладких труб к области квадратичного сопротивления. Здесь λ=f(Re, r/k), так как каждый из семейства графиков, отвечающих определенной относительной гладкости, располагается раздельно, а ординаты их изменяются. С увеличением скоростей, а следовательно, и чисел Re толщина ламинарного подслоя все более уменьшается, выступы все более проникают в турбулентное ядро, тормозят его движение и влияют на перемешивание в потоке. На самой границе EF ламинарный подслой находится уже только в углублениях между выступами, с дальнейшим увеличением скоростей он уже уменьшаться не может, а графики переходят кривую EF. Область III переходная от гладких труб к совершенно шероховатым, при этом в пределах области hf ~v1·75-2.0. Используется понятие верхних предельных чисел Рейнольдса как абсцисс точек пересечений графиков с кривой EF [35]; рекомендуется принимать Re*d.np = 4160 (r/k)0.85. Область квадратичного сопротивления IV. Здесь каждый из семейства графиков располагается также раздельно, имеет разные ординаты в зависимости от относительной гладкости, но все графики параллельны оси абсцисс. В соответствии с этим λ= =f(r/k),т. е. зависит только от относительной гладкости. Здесь значения λ не зависят от числа Re, в том числе и от вязкости жидкости (т. е. от рода жидкости), и при определенных соотношениях r/k значения λ постоянные. В рассматриваемой области ламинарный подслой ничтожно мал, так как выступы шероховатости взаимодействуют непосредственно с турбулентным ядром. Здесь трубы вполне шероховатые, а путевые потери hf ~ υ2. Коэффициент гидравлического трения при технической шероховатости трубопроводов Невозможен прямой перенос результатов для труб с искусственной шероховатостью на трубы заводского производства, имеющие техническую шероховатость, обусловленную свойствами материалов и технологией изготовления. В связи с этим у нас и за рубежом выполнены обширные опыты для установления зависимостей λ=f(Re, r/k) для изготовляемых промышленностью труб. Из зарубежных наиболее известны исследования К. Кольбрука и Г. Уайта (1938). В СССР систематические опыты для стальных и чугунных труб отечественного производства с технической неравномерной шероховатостью выполнили Г. А. Мурин (1948) и ф. А. Шевелев (1953). Исследования проводили также И. А. Исаев, П. К. Коыаков, Г. К. Филоненко, H. Ф. Федоров и др. На рис. 6.3 приведено обобщенное графическое представление результатов опытов Г. А. Мурина (Всесоюзный теплотехнический институт) в координатах λ и Red. Относительная гладкость принята по отношениям d/k. Рис. 6.3 На чертеже, как и прежде, выделяются области гидравлически гладких труб, доквадратичного и квадратичного сопротивлений. В области гидравлически гладких труб в принципе картина аналогична предыдущей. Графики сходят с огибающей практически прямой линии CD в очередности по соответствию с относительной гладкостью. В переходной области доквадратичного сопротивления значения λ зависят как от числа Re, так и от относительной гладкости: Lam=f(Re, d/k). Здесь характерно уменьшение значений λ при увеличении чисел Re. Важно то, что значения λ в этой области больше (но скорости движения меньше), чем далее в области квадратичного сопротивления; это необходимо учитывать, если рабочий режим трубопровода попадает в переходную область. В области квадратичного сопротивления графики параллельны оси абсцисс и имеют разные ординаты для каждой относительной гладкости, здесь Lam=f(d/k). Для семейства графиков на рис. 6.3 характерны плавные линии, в том числе на границах между областями. Это объясняется тем, что в трубах промышленного изготовления имеются значительные отклонения высот выступов по отношению к их среднему значению (в трубах с искусственной шероховатостью высоты выступов были практически одинаковыми) и их вершины разновременно проникают в турбулентное ядро в ходе уменьшения толщины ламинарного подслоя. Этим объясняется плавность схода графиков с линии гидравлически гладких труб, так как момент равенства δ = k четко не выделяется. Следует отметить также значительные по объему лабораторные опытные исследования открытых безнапорных потоков. Первыми и наиболее известными здесь являются опыты А. П. Зегжда (1938) по исследованию зависимостей коэффициента гидравлического трения от числа Рейнольдса, формы и размеров поперечных сечений и шероховатостей стенок каналов. Полученное по данным опытов графическое представление также включает области ламинарного режима, гидравлически гладких поверхностей, доквадратичного и квадратичного сопротивлений.
§ 6.3. РАСЧЕТНЫЕ ВЫРАЖЕНИЯ ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ КОЭФФИЦИЕНТОВ ГИДРАВЛИЧЕСКОГО ТРЕНИЯ
Приведенные в предыдущем параграфе графические представления И. И. Никурадзе и Г. А. Мурина для коэффициента гидравлического трения λ дают принципиальный характер взаимосвязи этого коэффициента с числами Рейнольдса и относительными гладкостями трубопроводов. Приведенные графики не используются при практических расчетах трубопроводов. Отечественными и зарубежными исследователями предложены многочисленные полуэмпирические и эмпирические формульные и графические зависимости по определению численных значений λ для расчетов. Эти. зависимости получены в основном экспериментальным путем, хотя и с использованием определенных теоретических положений. Рекомендации по определению λ специально устанавливались в основном для определенных областей на графиках Lam=f(Re, r/k) диапазонов изменения Re, шероховатостей трубопроводов из различных материалов, условий течения и т. п. Именно в связи с этим в современной литературе имеется множество предложений для численного определения λ. Трубопроводы эксплуатируются в различных областях сопротивления. Водопроводные системы из стальных и чугунных труб чаще работают в доквадратичной и квадратичной областях сопротивлений. Системы теплогазоснабжения и вентиляции нередко работают в переходной области доквадратичного сопротивления. Трубопроводы с малой шероховатостью (пластмассовые, алюминиевые и т. п.) часто эксплуатируются в области гидравлически гладких труб. Обычно для стальных и чугунных труб численные значения λ изменяются в основном диапазоне λ=0,02-0,04 (среднее значение λ^0,03). Ниже приводятся некоторые зависимости для λ, получившие наибольшее практическое применение. Зона ламинарного режима I Здесь коэффициент гидравлического трения λ=f(Re), и при этом для вычисления значений λ как в случае движения жидкостей, так и газов используется полученная теоретически и подтвержденная опытами формула λ=64/Re (здесь и далее число Рейнольдса по диаметру трубопровода). Для газопроводов эта формула используется [52] для определения λ при ламинарном режиме движения газа с Re<2000. Область гидравлически гладких труб II (рис. 6.2; 6.3) Режим движения в трубопроводах здесь турбулентный, однако λ=f(Re), так как толщина ламинарного подслоя больше высоты выступов (δ>k) и шероховатость труб не сказывается на сопротивлении движению. Здесь для определения λ давно широкое распространение получила подтвержденная опытами формула X. Блазиуса (1913) (6.18) где kэ — эквивалентная абсолютная шероховатость (см. далее). Часто применяется в рассматриваемой области удобная для использования формула с логарифмической зависимостью П. К. Конакова (1946) В справочной и другой литературе имеется также немало других рекомендаций для определения λ (формулы Л. Прандтля, И. Никурадзе, К. Кольбрука, Г. А. Мурина, Г. К. Филоненко, Ф. А. Шевелева, А. Д. Альтшуля и др.). Приведенные формулы распространяются на жидкие и газообразные среды (учет свойств через кинематический коэффициент вязкости ν, входящий в Re). Область квадратичного сопротивления IV
В этой области вполне шероховатых труб коэффициент гидравлического трения λ = f (r/k), ά от числа Рейнсльдса не зависит. Для определения λ распространение получила известная полуэмпирическая зависимость Л. Прандтля — И. Никурадзе (6.20) Эта формула получена для труб с равномерно-зернистой шероховатостью и дает удовлетворительные результаты для чугунных и бетонных труб. В соответствии с этой формулой значения λ вычисляются в области квадратичного сопротивления для трубопроводов тепловых сетей по выражению [48] (6.21) где d — внутренний диаметр, а эквивалентную абсолютную шероховатость kэ рекомендуется принимать для внутренней поверхности стальных труб тепловых сетей: паровых kэ=0,02 см; водных kэ = 0,05 см; горячего водоснабжения kэ=0,l см. Широко применяется также формула Б. Л. Шифринсона (6.22) Во ВНИИ ВОДГЕО были выполнены Ф. А. Шевелевым специальные исследования водопроводов из стальных, чугунных, асбоцементных, пластмассовых и стеклянных труб. Составлены специальные таблицы [67] для гидравлических расчетов водопроводных труб, используемые при проектировании водопроводных систем. Водопроводные стальные и чугунные трубы обычно эксплуатируются в областях квадратичного и доквадратичного сопротивлений. Формулы Ф. А. Шевелева простые и применимы только для определенных принятых условий по средней скорости, температуре и вязкости воды. При этом учитывается увеличение сопротивления в ходе эксплуатации трубопроводов. Коэффициент λ для стальных и чугунных водопроводных труб с учетом увеличения сопротивления в ходе эксплуатации (как для неновых, бывших в употреблении труб) по Ф. А. Шевелеву определяется формулой (6.23) где d — внутренний расчетный диаметр в метрах. Предполагается, что средняя скорость в трубопроводе v > 1,2 м/с, а также v/ν> >9,2-105 м -1, где ν в м/с, а кинематическая вязкость ν в м2/с. Наконец, в области квадратичного сопротивления значения λ можно определить с помощью коэффициента Шези С, производя пересчеты по формуле Lam = 8g/C2.
Область доквадратичного сопротивления III
В этой переходной области от гидравлически гладких к вполне шероховатым трубам коэффициент Lam=f(Re, r/k), т. е. зависит одновременно от чисел Re и относительной гладкости трубопроводов. Расчетные формулы для λ должны учитывать оба отмеченные обстоятельства. Для труб с технической шероховатостью получила распространение достаточно универсальная степенная формула А. Д. Альтшуля (6.24) где d — внутренний диаметр трубопровода; kэ— эквивалентная абсолютная шероховатость внутренней поверхности трубы. Эта формула используется во всей переходной области между ее границами. На границе области гидравлически гладких труб [при (Re*kэ/d)<10] первый член в скобках этой формулы мал и исключается, а остальная часть выражения переходит в формулу Блазиуса (6.18). На границе области квадратичного сопротивления [при (Re*kэ/d)>500] второй член в скобках формулы (6.24) мал (так как большие значения Re), а оставшаяся часть выражения переходит в (6.22). Таким образом, формула (6.24) распространяется на всю зону турбулентного режима движения (области гидравлически гладких труб, доквадратичного и квадратичного сопротивлений). Коэффициент гидравлического трения λ для трубопроводов тепловых сетей определяется по приведенной формуле (6.24) для всей зоны турбулентного режима движения [48]. При этом значения эквивалентной абсолютной шероховатости kэ для стальных труб принимаются такими же, как и в (6.21). Для газопроводов во всей зоне турбулентного режима движения газа (Re>4000) также рекомендуется нормами [52] коэффициент λ вычислять по формуле (6.24), в которой d и kэ в сантиметрах (для стальных труб предлагается принимать kэ = 0,01 см). Для водопроводных стальных и чугунных труб с учетом увеличения сопротивления в ходе эксплуатации (неновых труб) коэффициент λ, по Ф. А. Шевелеву [67], определяется формулой (6.25) где d — внутренний расчетный диаметр трубопровода в метрах, v<1,2 м/с. При получении этой формулы принята температура воды 100C и в соответствии с этим значение кинематического коэффициента вязкости ν=1,3·10-6 м2/с.
Дата добавления: 2015-06-27; Просмотров: 2498; Нарушение авторских прав?; Мы поможем в написании вашей работы! Нам важно ваше мнение! Был ли полезен опубликованный материал? Да | Нет |