Основные сведения. Гидравлические потери (потери полного напора, или удельной энергии) могут быть двух видов: потери на трение по длине и местные потери.

Гидравлические потери (потери полного напора, или удельной энергии) могут быть двух видов: потери на трение по длине и местные потери.

В данной работе рассматриваются местные потери напора, обусловленные так называемыми местными гидравлическими сопротивлениями. Последние представляют собой местные изменения формы и размера русла, вызывающие деформацию потока и связанные с этим дополнительные вихри.

Простейшими местными сопротивлениями являются расширение, сужение и поворот русла (трубы), каждый из которых может быть внезапным или плавным. Более сложные местные сопротивления представляют собой комбинации перечисленных простейших.

В данной работе проводятся испытания местного гидравлического сопротивления, в качестве которого используется так называемая трубка Вентури. Она состоит из сопла, плавно сужающего поток, и диффузора, постепенно его расширяющего (см. рисунок 12).

Местные потери напора чаще всего пропорциональны квадрату расхода, поэтому их величину принято определять пропорционально скоростному напору по формуле Вейсбаха

, (12)

где: - средняя по сечению скорость в трубопроводе, в котором установлено данное местное сопротивление, если же трубопровод меняет свое проходное сечение, то скорость необходимо взять в трубопроводе с меньшей площадью сечения;

- безразмерный коэффициент пропорциональности, называемый коэффициентом потерь или коэффициентом сопротивления.

Коэффициент определяется в основном формой местного сопротивления и для данного сопротивления в большинстве случаев является величиной примерно постоянной. Однако в тех случаях, когда в местном гидравлическом сопротивлении поток сужается, как, например, в трубке Вентури, коэффициент сопротивления может оказаться зависящим от величины абсолютного давления в р_г суженном сечении потока жидкости.

Дело в том, что в месте сужения скорость потока увеличивается, а давление уменьшается, и, если абсолютное давление р_г приблизится к значению давления насыщенных паров р_нп или сделается равным этому давлению, то возникает явление, называемое кавитацией.

Кавитация - это явление, связанное с местным нарушением сплошности течения, сопровождающееся образованием паровых и газовых пузырей (каверн), обусловленное местным падением давления в потоке.

Другими словами, при кавитации происходит интенсивное парообразование (кипение) жидкости и выделение из нее ранее растворенных газов.

В расширяющейся части потока (в диффузоре) скорость уменьшается, а давление возрастает, выделившиеся пары конденсируются, а газы постепенно снова растворяются в жидкости.

Кавитация сопровождается характерным шумом и вибрацией установки, а при длительном существовании этого режима - постепенным разрушением (эрозией) металлических стенок. Объясняется это тем, что в местах конденсации пузырьков пара на стенках возникают точечные повышения давления до двух и более тысяч атмосфер, то есть происходят как бы удары по стенке острым инструментом. Эрозия металлических стенок при кавитации происходит не там, где выделяются пузырьки пара, а там, где они конденсируются.

Для удобства наблюдения явления кавитации трубка Вентури в лабораторной установке выполнена из прозрачного материала.

При небольшом открытии регулировочного крана перед трубкой и, следовательно, при малых значениях расхода и скорости жидкости, падение давления в узком месте трубки незначительно, поток вполне прозрачен и кавитация отсутствует. При постепенном открывании крана происходит увеличение скорости в трубке и падение абсолютного давления в узком месте .

При некотором значении этого давления в узком месте трубки появляется отчетливо видимая зона кавитации, обусловленная сначала выделением газов, а затем и паров жидкости.

Условием возникновения кавитации приближенно можно считать равенство

р_г =р_нп

Однако, например, для холодной водопроводной воды, содержащей большое количество растворенного воздуха, кавитация начинается раньше, т.е. при давлении , которое несколько больше давления насыщенных паров .

Возникновение кавитации в том или ином местном сопротивлении, например, в трубке Вентури, влечет за собой резкое возрастание сопротивления движению жидкости и, следовательно, значительное увеличение коэффициента сопротивления данного устройства.

Объясняется это тем, что превращение части жидкости в пар и выделение газов приводит к тому, что в месте кавитации средняя плотность движущейся среды значительно уменьшается. Это означает, что при том же весовом расходе, равном

,

и той же площади сечения , скорость движения частиц жидкости в потоке резко увеличивается, а гидравлические потери возрастают, как известно, пропорционально квадрату скорости.