Два режима течения жидкости

Возьмём прозрачную трубу, в которой с небольшой скоростью V1 течёт прозрачная жидкость, например, вода. В этот поток поместим небольшие, существенно меньшие, чем диаметр потока, трубки. В трубках под напором находится подкрашенная жидкость, например, цветные чернила, которая может из них вытекать, если открыть краны К. Будем открывать их на короткое время (1-3 секунды) и прекращать подачу чернил через какие-то промежутки времени так, чтобы можно было проследить движение цветной жидкости. В таком случае в потоке будут возникать разноцветные струйки, причём цветная жидкость будет явно показывать распределение скоростей (эпюра скоростей) по сечению потока. Это распределение будет соответствовать рассмотренной ранее струйной модели потока. Если наблюдать за движением жидкости, то можно ясно видеть, что при перемещении от сечения 1 к сечению 2 картина распределения скоростей будет оставаться постоянной, а движение жидкости будет слоистым, плавным, все струйки тока будут параллельны между собой. Такое движение носит название ламинарное (от латинского слова lamina - слой).

Если увеличить скорость основного потока до величины V2 и повторить эксперимент с цветными струйками, то эпюры скоростей как бы вытянутся, а характер движения останется прежним, ламинарным. Попутно заметим, что коэффициент кинетической энергии ±, входящий в уравнение Бернулли и учитывающий отношение действительной кинетической энергии потока к кинетической энергии, посчитанной с использованием средней скорости, при «вытягивании» эпюры скоростей возрастает.

Если еще больше увеличить подачу жидкости до скорости V3, то эпюры скоростей могут вытянуться ещё больше и при этом течение будет спокойным, плавным – ламинарным. Коэффициент ± приближается к значению 2.

Однако до бесконечности увеличивать скорость при ламинарном режиме движения потока невозможно. Обязательно наступит такой момент, когда характер движения жидкости радикально изменится. Цветные струйки начнут сначала колебаться, затем размываться и интенсивно перемешиваться. Течение потока становится неспокойным, с постоянным вихреобразованием. Эпюра распределения скоростей по сечению потока приблизится к прямоугольной форме, а значения скоростей в разных сечениях потока станут практически равны средней скорости движения жидкости. Значение коэффициента кинетической энергии ±приближается к 1.

Такое течение жидкости называется турбулентным (от латинского слова turbulentus- возмущённый, беспорядочный).

Если снова уменьшить скорость течения жидкости, восстановиться ламинарный режим движения. Переход от одного режима движения к другому будет происходить примерно при одной и той же скорости, которую называют критической скоростью и обозначают Vкр. Эксперименты показывают, что значение этой скорости прямо пропорционально кинематическому коэффициенту вязкости жидкости и обратно пропорционально диаметру трубопровода d (для наиболее часто применяемых труб круглого сечения) или гидравлическому радиусу потока R (для других типов труб и русел).

^или

В этих выражениях коэффициенты и - безразмерные величины, одинаковые (близки по данным различных экспериментов) для всех жидкостей (и газов) для любых размеров труб и сечений потока. В дальнейшем мы будем рассматривать только напорные потоки в трубах круглого сечения.

Безразмерный коэффициент называется критическим числом Рейнольдса по фамилии английского ученого - физика, исследовавшего в 1883г. два режима течения жидкости. Этот коэффициент обозначается:

Опытным путём установлено, что критическое число Рейнольдса для круглых труб - 2320 для круглых труб, а для других сечений 580.

Для определения режима движения в потоке надо найти фактическое число Рейнольдса Re , которое можно установить для любого потока по формуле

,

и сравнить его с критическим числом Reкр.

При этом, если Re < Reкр, то режим движения ламинарный, если Re > Reкр, то режим движения турбулентный.

Определение потерь напора на местные сопротивления

Местными сопротивлениями называются участки трубопровода, в которых происходит резкая деформация потока (к ним относятся, в частности, все виды арматуры трубопроводов – вентили, задвижки, тройники, колена и т.д.).
Потери напора в местных сопротивлениях hM определяются по формуле Вейсбаха (в долях скоростного напора)
(86)
где n– число местных сопротивлений;
ω- средняя скорость потока за местным сопротивлением;
ξ- коэффициент местного сопротивления, зависящий от его геометрической формы, состояния внутренней поверхности и Re, а для запорных устройств - от степени их открытия. При развитом турбулентном движении (Re > 104), что соответствует квадратичной зоне сопротивления для местных сопротивлений, ξКВ = const и определяется по справочникам.
Потери напора в местных сопротивлениях можно рассчитать по формуле Дарси-Вейсбаха через эквивалентную длину lэкв, понимая под ней такую длину трубопровода, для которой hT = hM.
(87)
где lП– приведенная длина трубопровода
(88)
Обычно зона деформации потока в районе местного сопротивления мала по сравнению с длиной труб. Поэтому в большинстве задач принимается, что потери напора в местном сопротивлении происходят как бы в одном сечении, а не на участке, имеющем некоторую длину.
Таким образом, полный перепад давления с учетом местных сопротивлений и рельефа местности определяется из формулы:
(89)
При больших длинах напорных трубопроводов удельный вес местных сопротивлений невелик и ими при расчетах пренебрегают.
При движении жидкости по трубопроводу происходит потеря давления по его длине, вызываемая гидравлическими сопротивлениями. Величина потерь давления (напора) зависит от диаметра трубопровода, состояния его внутренней поверхности (гладкая, шероховатая), количества перекачиваемой жидкости и ее физических свойств.
Зависимость между путевой потерей напора и расходом жидкости, то есть hП = f(Q) называется гидравлической характеристикой трубопровода.

Трубопроводы, по которым течет жидкость, часто имеют в своем составе всевозможные сужения, расширения, повороты и дросселирующие устройства, называемые местными гидравлическими сопротивлениями. В практических расчетах трубопроводов обычно руководствуются следующим правилом. Если длина трубопроводов значительна, а местных сопротивлений немного, то потери напора в местных сопротивлениях не учитывают, но для компенсации этих потерь длину трубопровода при расчете увеличивают на 5 - 10%. Если трубопроводы короткие, а местных сопротивлений много, то потери напора в них учитывают самым тщательным образом. Схема линий тока в различных местных сопротивлениях Определение потерь напора при внезапном расширении потока (рисунок а). Выходя из узкой трубы в широкую, поток расширяется постепенно и только на некотором расстоянии от места расширения заполняет все сечение. В месте расширения за контурами транзитной струи образуется застойная зона, заполненная жидкостью, которая, естественно, не останется неподвижной. Слои жидкости, соприкасающиеся с транзитной струей, будут вовлечены ею в водоворотное движение. Эти так называемые вторичные движения в виде различных интенсивных вальцов будут поддерживаться за счет энергии транзитной струи, вызывая потери энергии потока жидкости. Определение потерь напора при внезапном сужении потока. Потери напора при внезапном сужении потока (рисунок б), так же как и при внезапном расширении, зависят от степени его деформации, т. е. от отношения ω2/ω1. Потери давления вычисляют по формуле, в которой коэффициент местного сопротивления в зависимости от отношения находят по справочникам. Частным случаем внезапного сужения является вход жидкости из резервуара в трубу. При острых кромках входа коэффициент местного сопротивления в этом случае равен 0,5. Определение потерь напора при повороте потока (рисунок в). Потери напора в этом случае вычисляют по универсальной формуле. Иногда при расчете систем трубопроводов с большим числом местных сопротивлений потери напора в них вычисляют по их эквивалентным длинам. Длиной, эквивалентной данному местному сопротивлению, считается такая длина прямой трубы (того же диаметра, как и номинальный диаметр рассчитываемого трубопровода), на протяжении которой гидравлические потери равны потерям в данном сопротивлении. В результате такой замены все местные сопротивления в системе устраняются, длины труб соответственно увеличиваются и далее рассчитывается только прямолинейный трубопровод. Пусть, например, надо заменить местное сопротивление С коэффициентом ζ трубой эквивалентной длины lэ диаметром d. Значение эквивалентных длин для каждого значения ζ берется из таблиц соответствующих справочников.

Турбулентный режим течения встречается в практике создания теплообменной аппаратуры несравненно чаще, чем ламинарный. Коэффициенты теплоотдачи при турбулентном режиме выше, чем при ламинарном, поэтому аппаратуру стараются проектировать так, чтобы использовать это преимущество.
Турбулентный режим течения редко возникает на горизонтальных трубах, но может устанавливаться на нижних участках вертикальных поверхностей.
Турбулентный режим течения осуществляется не только за счет больших перепадов давлений, но и за счет больших размеров поперечных сечений труб или каналов. Закономерность для силы внутреннего трения при турбулентном режиме резко отличается от соответственной закономерности при ламинарном режиме.
Турбулентный режим течения наиболее характерен для потоков в открытых руслах и крупных трубах.
Турбулентный режим течения характеризуется преобладанием сил инерции, веледствие чего струйки срываются с выступов шероховатости, появляются поперечные составляющие скорости и поток интенсивно перемешивается. При турбулентном течении потери давления на трение в основном зависят от обмена количества движения беспорядочно движущихся масс воздуха - они резко возрастают по сравнению с ламинарным режимом течения.
Определение Re, и ti. Турбулентный режим течения характеризуется наличием вихрей.
Турбулентный режим течения суспензии в барабане центрифуги должен влиять на процесс осаждения взвешенных частиц. Вследствие этого одинаковые взвешенные частицы должны оседать на дно отстойника на различных расстояниях. Как экспериментально установлено Д. Я. Соколовым [56], частицы данной крупности, пущенные в поток на одной определенной глубине, не выпадают на дно в одной точке, а рассеиваются в некоторой зоне по длине потока.
Для турбулентного режима течения характер взаимодействия магнитного поля с потоком значительно сложнее, ибо в этом случае поле взаимодействует как с осредненным, так и с пульсационным движением. Это взаимодействие проявляется в виде двух эффектов - эффекта Гартмана и эффекта гашения турбулентных пульсаций. Соотношением этих эффектов определяется характер течения. Наложение поля может значительно изменить структуру потока: например, погасить или ослабить пульсации скорости в направлении, перпендикулярном вектору магнитной индукции, создав тем самым резкую анизотропию турбулентности. При больших полях возможна и полная лами-наризация течения.
Преимущество турбулентного режима течения при эксцентричном расположении колонны труб состоит в том, что распределение скорости v ( cp) является здесь более равномерным.
Для турбулентного режима течения экспериментальные и теоретические значения не совпадают.
Схема для пояснения движения жидкостей в эксцентричном пространстве. Обеспечение турбулентного режима течения во всех частях кольцевого эксцентричного канала должно быть обязательным.
Использование турбулентного режима течения эмульсии для укрупнения капель обусловлено значительным увеличением частоты столкновения капель по сравнению с частотой столкновения при их осаждении в покоящейся жидкости или при ламинарном режиме течения. Дисперсные частицы, взвешенные в жидкости, увлекаются турбулентными пульсациями и хаотически перемещаются по объему, и их движением сходно с броуновским движением.
Для турбулентного режима течения потока через слой А, Л / Несл где А 150 - г - 200 и приблизительно равно так называемой константе Козени - Кармана ( йк 150), найденной экспериментально при изучении гидравлики зернистого слоя.

Для турбулентных режимов течения смеси гидродинамические уравнения (2.1.57) - (2.1.61) также могут считаться справедливыми ( в этом случае они описывают истинные ( мгновенные) состояния среды), так как наименьший характерный масштаб турбулентных пульсаций обычно много больше длины свободного пробега молекул ( об этом подробнее см. разд.
Для турбулентного режима течения вязкой жидкости в цилиндрической трубе соответственными необходимыми признаками будут: 1) извилистый и неупорядоченный характер траекторий отдельных частиц, 2) почти равномерное распределение осредненных скоростей по поперечному сечению, но с резким уменьшением их до нуля в тонком слое вблизи стенки, 3) превышение максимальной скорости над средней имеет порядок 10 - 20 % и 4) график зависимости коэффициента сопротивления от числа Рейнольдса представляется кривой с медленно убывающим наклоном. Как показано на рис. 31, при переходе через критическое значение числа Рейнольдса коэффициент сопротивления трубы увеличивается скачком, а затем медленно уменьшается с увеличением числа Рейнольдса.
Обеспечение турбулентного режима течения тампонажной смеси должно обеспечивать высокое качество замещения бурового раствора при цементировании. Особенно это относится к случаям, когда вязкость тампонажной смеси больше, чем промывочной жидкости, что является характерным для современной практики цементирования. Этому способствует обработка тампонажных растворов реагентами, повышающими их стабильность и снижающими водоотдачу.
При турбулентном режиме течения толщина пристенного слоя б в сравнении с диаметром канала несоизмеримо мала, поэтому можно допустить, что все определяющие величины в нем и, прежде всего, касательное напряжение, не зависят от толщины пристенного слоя.
Одномерная схема течения жидкости в координатах Эйлера. При турбулентном режиме течения под вязкостью следует понимать эффективную вязкость ц эфф, которая складывается из молекулярной и турбулентной составляющих вязкости.
Распределение скорости при ламинарном и турбулентном. При турбулентном режиме течения имеет место сильное перемешивание жидкости, определяемое величиной осредненной скорости. Интенсивность распространения тепла определяется главным образом величиной этой скорости. Влияние теплопроводности сохраняется существенным лишь у поверхности твердого тела, так как по мере приближения к поверхности твердого тела поперечные пульсации вследствие вязкости жидкости постепенно затухают и на поверхности становятся равными нулю.
При турбулентном режиме течения в межтрубном пространстве пучка характер движения жидкости по периметру труб может быть различным.
При турбулентном режиме течения имеет место сильное перемешивание жидкости, определяемое величиной осрсдпепной скорости. Интенсивность распространения тепла определяется главным образом величиной этой скорости. Влияние теплопроводности сохраняется существенным лишь у поверхности твердого тела, так как по мере приближения к поверхности твердого тела поперечные пульсации скорости вследствие вязкости жидкости постепенно затухают и па поверхности становятся равными нулю.
Демонстрация режимов течения. При турбулентном режиме течения происходит интенсивное перемешивание струек ( слоев) жидкости с образованием большого количества крупных и мелких вихрей. Отдельные частицы жидкости движутся хаотично, и практически ни одна из них не повторяет траекторию другой.
При турбулентном режиме течения различают три зоны трения: гидравлически гладких труб ( Я, зависит только от Re) смешанного трения ( А.
При турбулентном режиме течения коэффициент сопротивления зависит от того, является труба технически гладкой или шероховатой. Технически гладкими считают трубы, коэффициент сопротивления которых, так же как и при ламинарном режиме, не зависит от состояния поверхности.
При турбулентном режиме течения скорость в каждой точке потока пульсирует около некоторого среднего по времени значения. Вследствие этого возникает интенсивное поперечное перемешивание жидкости, что и вызывает интенсивный обмен количеством движения и теплотой между слоями с различной скоростью.

При турбулентном режиме течения отдельные частицы жидкости совершают беспорядочные неустановившиеся движения по сложным траекториям, что приводит к интенсивному перемешиванию слоев жидкости. Мгновенная скорость движения частиц здесь беспорядочно изменяется во времени как по величине, так и по направлению.
Коэффициент сопротивления плоской пластины в переходной области. При турбулентном режиме течения в пограничном слое, как будет показано дальше ( § 4), напряжение трения может быть выражено через толщину потери импульса.
При турбулентном режиме течения влияние динамического напряжения сдвига буровых и цементных растворов проявляется меньше, чем инерционные силы.
При турбулентном режиме течения отдельные частицы жидкости совершают беспорядочные неустановившиеся движения по сложным траекториям, что приводит к интенсивному перемешиванию слоев жидкости.
При турбулентном режиме течения отдельные частицы жидкости совершают беспорядочные неустановившиеся движения по сложным траекториям, что приводит к интенсивному продольному перемешиванию слоев жидкости. Мгновенная скорость движения частиц здесь беспорядочно меняется во времени как по величине, так и по направлению.
При турбулентном режиме течения происходит размыв границы между последовательно движущимися жидкостями. Это явление турбулентной диффузии приводит к выравниванию средних скоростей vt, уменьшает отставание жидкостей, а следовательно, приводит к росту полноты замещения.
При турбулентном режиме течения ( при Re104) с увеличением диаметра трубы в 2, 3 и 4 раза коэффициент теплоотдачи а уменьшается соответственно в 1 15, 1 25 и 1 32 раза. При ламинарном режиме течения ( при Res: 2000) коэффициент теплоотдачи уменьшается соответственно в 1 595, 2 08 и 2 56 раза.
При турбулентном режиме течения с числом Re, очень близким к ReKp ( в длинном турбопроводе), возможно затухание турбулентности и переход к ламинарному течению без снижения числа Re. Однако при числах Рейнольдса Re, значительно больших ReKp, наступает так называемая развитая турбулентность, с которой обыч-н о приходится иметь дело на практике.
При турбулентном режиме течения параметр 2а усредняется.
При турбулентном режиме течения влияние динамического напряжения сдвига буровых и тампонажных растворов проявляется меньше, чем инерциончые силы.
При турбулентном режиме течения влияние динамического напряжения сдвига буровых и тампонажных растворов проявляется меньше, чем инерционных сил.
При турбулентном режиме течения в пограничном слое, как будет показано дальше ( § 4), напряжение трения может быть выражено через толщину потери импульса.
При турбулентном режиме течения с увеличением Re значение Кр растет тем интенсивнее, чем выше вязкость вытесняющей жидкости, и становится по абсолютным значениям больше, чем в случаях, когда вытесняющая жидкость имеет меньшую вязкость.
Характер эксцентричного размещения обсадной колонны в стволе скважины.
При турбулентном режиме течения, соотношения плотности и реологических параметров жидкости почти не влияют на величину коэффициента вытеснения.
При турбулентном режиме течения изменяется не только коэффициент сопротивления, но и существенно интенсифицируются процессы переноса массы, импульса и энергии.
При турбулентном режиме течения увеличение расхода прокачиваемой жидкости вызывает повышение гидродинамического давления, следовательно, и перепада давления, а также силы трения.
При турбулентном режиме течения значение Vn принято считать постоянным.
При турбулентном режиме течения различают три зоны сопротивления.
При турбулентном режиме течения газа в трубах, каналах и при продольном обтекании трубных пучков теплоотдача может быть подсчитана по формуле ( 5 - 7), но при этом поправка на изменение физических свойств с температурой ( Ргш / Ргс) 0 25 несправедлива.
При турбулентном режиме течения газа по газопроводу на теплопередачу от газа к стенке трубы большое влияние оказывает принудительная конвекция, связанная с турбулентным перемешиванием газа. Шероховатость труб несколько увеличивает коэффициент теплоотдачи.
Расчетная схема потерь напора в ламинарном режиме движения жидкости. В развитых турбулентных режимах течения действие сил вязкого трения незначительно и потерями энергии за счет проявления сил трения можно пренебречь.
При развитом турбулентном режиме течения турбулентные напряжения в точках, лежащих за пределами пристенного подслоя, могут намного превосходить вязкостные напряжения. Поэтому приближенный расчет турбулентного течения в трубе можно построить на двухслойной модели, предполагая, что в пределах вязкого подслоя течение ламинарное, а в центральной части потока ( в турбулентном ядре) эпюра ( профиль) усредненной скорости и закон сопротивления целиком определяются турбулентными напряжениями.
Коэффициенты, учитываю-ющие влияние зазоров между стенкой и вращающимися элементами перемешивающих устройств. В переходных и турбулентных режимах течения влияние центробежного критерия Рейнольдса Кеч весьма незначительно или отсутствует.
Распределение скоростей при ламинарном режиме течения воды и глинистого раствора в трубе. При турбулентном режиме течения потери напора для вязкопластичной жидкости соответствуют в основном зависимости для воды.

Начало формы

Трубопроводами называются устройства, по которым транспортируются жидкие, газообразные и сыпучие вещества.

По трубопроводам котельных установок транспортируются топливо (газ, мазут и т.д.), вода для питания котлов отопления, реагенты для химической очистки воды, вода для отопления под давлением и нагретая выше 100 °С, пар под различным давлением и различной температуры для технологических нужд. Трубопроводы котельных установок малой и средней мощности работают под различным избыточным давлением при температуре транспортируемого продукта до 450 °С. Часть трубопроводов работает под разрежением.

В зависимости от условий работы и назначения трубопроводы классифицируют по давлению:

• безнапорные, работающие без избыточного давления; низкого давления, работающие под давлением от 0,1 до 1,6 МПа; среднего давления, работающие под давлением от 1,6 до 10 МПа; высокого давления, работающие под давлением более 10 МПа; вакуумные, работающие под давлением ниже 0,1 МПа;
• по температуре транспортируемого вещества:
• нормальные, температура продукта от 1 до 50 °С; горячие, температура продукта выше 50 °С;
• по роду транспортируемого вещества:
• газопроводы, водопроводы, паропроводы, кислотопроводы, щелочепроводы, маслопроводы, нефтепроводы и т.д.;
• по месторасположению: межцеховые, соединяющие отдельные технологические установки; внутрицеховые, оединяющие отдельные аппараты и машины в пределах одной установки или цеха.

Транспортируемые по трубопроводу вещества по степени агрессивности разделяются на неагрессивные и агрессивные, вызывающие коррозию металла. Для трубопроводов, транспортирующих агрессивные продукты, применяют трубы из легированных (нержавеющих) сталей, неметаллических материалов и углеродистых сталей, защищенных изнутри коррозионно-стойкими покрытиями.

Трубопроводы, транспортирующие водяной пар рабочим давлением более 0,07 МПа, горячую воду температурой свыше 115 °С, в соответствии с “Правилами устройства и безопасной эксплуатации трубопроводов пара и горячей воды”, разделяют на четыре категории (табл.1). Эти правила определяют требования к устройству, изготовлению, монтажу, эксплуатации и освидетельствованию трубопроводов.

Таблица 1