Гидравлическое сопротивление – а как течь будем?

При любом движении происходят потери энергии – хоть это будет автомобиль, хоть самолет, хоть жидкость в трубопроводе. Всегда часть энергии тратится на преодоление сопротивления движению. Уменьшение напора жидкости и принято определять как гидравлическое сопротивление. Фактически есть два типа такого сопротивления – местное и линейное. Местное связано с потерями энергии на вентилях, задвижках, поворотах, расширениях и сужениях трубы.

Нужно отметить, что источником потерь всегда служит вязкость жидкости. Местные потери или гидравлическое сопротивление, формула расчета которого связана с параметрами вентилей, труб и задвижек, определяется по специальной методике. А вот линейные потери во многом зависят от характера протекания жидкости в трубе.

Исследования режимов протекания жидкости проводились Рейнольдсом в 1883 году. При этих исследованиях использовался поток воды, в который добавлялась краска, и в стеклянной трубе можно было наблюдать характер движения краски и воды. При этом проводился замер давления, скорости и напора жидкости.

Первый режим движения наблюдался при небольшой скорости воды. В этом случае краска и вода между собой не перемешиваются и движутся совместно вдоль трубы. Скорость и давление при этом постоянны во времени. Такой режим протекания жидкости называется ламинарным.

Если же скорость движения будет увеличиваться, то при ее определенной величине картина движения жидкости изменится. Струя краски начинает перемешиваться по всему объему трубы, становятся видны вихреобразные образования и вращение жидкости. Замеренные значения скорости и давления жидкости начинают пульсировать. Такое движение называют турбулентным. Если скорость потока уменьшить, то опять восстанавливается ламинарное движение.

При ламинарном потоке жидкости гидравлическое сопротивление минимально, при турбулентном оно значительно больше. Здесь необходимо сделать уточнение, что существуют еще потери на трение о стенки трубы. Скорость при ламинарном течении минимальна у стенки трубы и максимальна по центру потока, но поток воды движется плавно вдоль всей трубы. При турбулентном движении возникающие завихрения создают препятствия движению воды и дополнительное гидравлическое сопротивление.

Есть еще одно явление, которое способствует потерям. Называется оно кавитация. Наблюдается кавитация в том случае, когда при движении жидкости в трубе появляется узкое место. Тогда на таком месте скорость движения увеличивается и, согласно закону Бернулли, давление уменьшается. Уменьшение давления приводит к тому, что начинается выделение растворенных в жидкости газов и вода начинает кипеть при текущей температуре.

После прохождения узкого участка скорость течения уменьшается, давление увеличивается и кипение пропадает. Кавитация вызывает дополнительные потери, обусловленные местными нарушениями ламинарного потока. Как правило, она возникает в кранах, задвижках и других подобных узлах. Подобное явление считается крайне нежелательным, т.к. может привести к повреждению всей трубопроводной системы.

Таким образом, получается, что гидравлическое сопротивление – это понятие, которое определяется несколькими факторами. К ним относятся конструктивные особенности трубопроводной системы (длина, изгибы, краны и задвижки), в том числе и материал, из которого изготовлены трубы. На потери также оказывает влияние характер протекания жидкости. Это позволяет понять, какой должна быть трубопроводная система и чего необходимо избегать при ее проектировании и эксплуатации.

В представленном материале рассмотрено такое понятие, как гидравлическое сопротивление по отношению к трубопроводной системе. Дано описание разных режимов протекания жидкости и ее поведения в трубах.