Турбулентный режим движения жидкости

Для турбулентного потока типично явление пульсации скорости и давления, т. е. резкие изменения давления и скорости в данной точке во времени, по величине и по направлению. Если при ламинарном режиме энергия расходуется только на преодоление сил внутреннего трения между слоями жидкости, то при турбулентном режиме кроме этого энергия затрачивается на процесс хаотического перемешивания жидкости, что вызывает в жидкости дополнительные напряжения. Поэтому уравнение (1.9) приобретает вид

где первый член характеризует вязкостное трение, второй — учитывает инерционное напряжение, возникающее в жидкости в результате перемешивания; I — длина пути перемешивания.

При турбулентном режиме движения около стенок трубы образуется ламинарный подслой, очень тонкий, который существенно влияет на распределение скоростей по сечению потока. Чем интенсивнее происходит перемешивание потока, тем больше выравниваются скорости по сечению и тем тоньше ламинарный подслой. Распределение скоростей по сечению вне ламинарного подслоя, где движение турбулентное, происходит по логарифмическому закону.

Распределение скоростей и₁и и₂ в трубопроводе при турбулентном (кривая 1) и ламинарном (кривая 2) режимах показано на рис. 26.

Отношение средней скорости к максимальной осевой при турбулентном потоке изменяется от 0,75 до 0,9, стремясь в пределе при бесконечно больших Re к единице.

Рис. 26. Распределение скоростей в трубопроводе при ламинарном и турбулентном

В то время как при ламинарном движении жидкости потери напора зависят от свойств жидкости и не зависят от материала стенок и характера их обработки, при турбулентном потоке шероховатость стенок существенно влияет на сопротивление движению жидкости, так как способствует турбулизации потока.

Шероховатость характеризуется величиной и формой выступов и неровностей на стенках и не зависит от материалов стенок и их обработки, а также от условий К времени эксплуатации трубопровода.

Основной характеристикой шероховатости является абсолютная шероховатость, представляющая собой среднюю величину выступов на стенках трубопровода.

В зависимости от соотношения толщины ламинарного подслоя и абсолютной шероховатости различают гидравлически гладкие й шероховатые трубы. В первом случае ламинарный подслой жидкости полностью покрывает выступы на стенках трубы, а в формуле (4.1) п = 1,75. Так как величина пограничного слоя зависит от числа Re, то абсолютная шероховатость не может полностью характеризовать влияние стенок на движение жидкости. В связи с этим введено понятие относительной шероховатости, т. е. отношение абсолютной шероховатости к некоторому линейному размеру, характеризующему сечение потока, например к радиусу трубы, к глубине жидкости в открытом потоке и др.

Потеринапорапритурбулентномрежимеопределяютсяпоосновномувыражениюдляпотерьнапора (4.4) — формулеДарси. Для определения коэффициента трения X при турбулентном режиме используются различные формулы

Одной из общих формул является

(4.11)

где Δ_э — эквивалентная шероховатость трубопровода, дающая те же потери, что и фактически неоднородная его шероховатость.

В области гидравлически гладких труб, что является наиболее распространенным случаем в гидропроводе, для условий 2300 <Re< 8 10⁴ коэффициент X вычисляют по формуле

λ= 0,3164 Re^-0,25. (4.12)

В других случаях пользуются графиками, например Нику-радзе и Мурина, которые приводятся в справочной литературе.

Для автомодельного течения Re>500 применяется формула, полученная для искусственнойшероховатости

λ= .

Для значений X при автомодельном течении имеются справочные таблицы.