Opory ruchu w ruchu laminarnym jednostajnym

Rozpatrujemy przepływ w poziomym przewodzie kołowym o promieniu r , w którym

o

wyodrębniamy powierzchnię walcową o promieniu r i długości l, współśrodkową z osią

przewodu. Jedynymi siłami działającymi na wydzielony walec cieczy równolegle do

kierunku ruchu, są siły tarcia między cząsteczkami cieczy (τ ) i siły ciśnienia (p) w

przekrojach poprzecznych ograniczających długość rozpatrywanego walca. Zakładając

Ŝenie występuje zmiana ilości ruchu (pędu) na długości przewodu, suma rzutów tych sił

musi być równa zero:

2 r

π ∆ lτ − ( p − p ) 2

r

π

= 0

1

2

Opory ruchu w ruchu laminarnym jednostajnym

Równanie to waŜne jest dla wydzielonego obszaru o promieniu r oraz dla całego przekroju o promieniu r = 0,5 d. Po przekształceniach otrzymujemy

o

A hf

τ

= ρ g

o

Ω l

gdzie r - napręŜenia styczne przy ściankach rurociągu, A - pole przekroju poprzecznego, Ω -

o

obwód zwilŜony a hf - straty wysokości ciśnienia na opory tarcia na długości rurociągu l.

Równanie to przedstawiane jest w postaci

τ

= ρ g R I

o

h

gdzie Rh - promień hydrauliczny a spadek hydrauliczny (jednostkowe straty energii na długości rurociągu) I = h/l. Równanie to jest podstawowym równaniem ruchu jednostajnego, waŜnym dla przewodów pod ciśnieniem i dla koryt otwartych.

Rozkład prędkości w ruchu laminarnym

Dla ruchu jednostajnego ustalonego, wychodząc z newtonowskiej definicji lepkości

cieczy oraz równania spadku hydraulicznego moŜna na drodze teoretycznej

wyprowadzić równanie określające rozkład prędkości w przekroju poprzecznym. Dla

rurociągów o przekroju kołowym równanie to moŜna przedstawić w postaci

u( r )



2 

1 u

 2 r 

=

* Re1− 

 

u

4 v

d

*





 

gdzie u(r) jest prędkością w odległości promienia r mierzonego od osi przewodu, a u oznacza pr

*

ędkość dynamiczną

u =

g R I

*

h

Rozkład prędkości w ruchu laminarnym

Dla kanału otwartego, bardzo szerokiego równanie rozkładu prędkości ma postać

u( y)

1 u

 y 

y 

=

* R 

e

 2 − 

u

8 u

 h 

h 

*

gdzie u(y) prędkość w odległości pionowej y mierzonej od dna kanału, h jest głębokością napełnienia koryta a liczba Reynoldsa Re = u (4 Rh) /v . Dla kanału

bardzo szerokiego przyjmuje się promień hydrauliczny R h = h. Równania prędkości są zaleŜnościami kwadratowymi tzn. wykresy prędkości są parabolami,

charakterystycznymi dla ruchu jednostajnego laminarnego

Praktyczne obliczanie rurociągów

Wpływ niewielkich szorstkości ścian przewodu prowadzącego wodę jest całkowicie

pomijalny w przypadku ruchu laminarnego jednak ma istotne znaczenie w

przypadku przepływu burzliwego.

Miarą szorstkości ścian przewodu jest przeciętna wysokość k poszczególnych

s

występów, modelowana ziarnami piasku oblepiającymi wewnętrzną ściankę

przewodu.

Przyjmuje się, Ŝe ścianka jest hydraulicznie gładka gdy ks < δ v , gdzie δ v jest grubości podwarstwy laminarnej, δ v = 5 v /u. Podobnie ścianka jest w pełni szorstka jeśli 2ks >> δ v.

Praktyczne obliczanie rurociągów

Wpływ szorstkości uwzględniany jest przy wyznaczaniu współczynnika oporu

liniowego λ ze wzoru Darcy-Weisbacha, który w obliczeniach rurociągów gdzie Rh

= d/4 stosowany jest w postaci

l v 2

h = λ

f

d 2 g

Gdzie λ - współczynnik oporu liniowego

Opory tarcia w ruchu laminarnym

Prostą zaleŜność między współczynnikiem oporów liniowych a liczbą Reynoldsa

moŜna otrzymać poprzez całkowanie równania rozkładu prędkości w polu przekroju

poprzecznego rurociągu, prostopadłego do wektorów prędkości, skąd otrzymamy

64

32µ l

λ =

oraz

h =

v

f

2

Re

gd

ZaleŜności te waŜne są wyłącznie w obszarze ruchu laminarnego

tj. w granicach Re ≤ 2320.

Opory ruchu rurociągów hydraulicznie gładkich

W obszarze przejściowym, w granicach między ruchem laminarnym a ruchem w

pełni burzliwym dla rurociągów hydraulicznie gładkich moŜe być stosowany

empiryczny wzór Blasiusa w postaci

−1/ 4

λ = 3

,

0 16 Re

ZaleŜność ta moŜe być stosowana w przedziale 4000 < Re < 100 000.

Opory liniowe w obszarze ruchu burzliwego

Pośród bardzo wielu formuł empirycznych, opisujących zaleŜność współczynnika

oporu liniowego, naleŜy wyróŜnić wzór Colebrooka i White'a w postaci





1

5

,

2 0

δ

= −2 lg

+



λ

 Re λ

,

3 71 d 

gdzie δ = ks czyli szorstkość bezwzględna rurociągu o średnicy d. Wzór ten, wyprowadzony wprost z równania rozkładu prędkości typu logarytmicznego

uwaŜany jest za bardzo wiernie opisujący wyniki doświadczeń.

Straty miejscowe (lokalne)

Dodatkowe straty energii występują przy kaŜdej zmianie prędkości

przepływu cieczy tzn. przy zmianie ilości ruchu (pędu) straty te obliczamy z formuły

u2

h = ξ

m

2 g

gdzie ξ- współczynnik strat miejscowych, zaleŜny od geometrii przewodu

powodującej zmiany prędkości i wywołujące dodatkową burzliwość ruchu, u -

średnia prędkość wody w przewodzie wyznaczona zwykle dla przekroju

znajdującego się poniŜej przeszkody.

Obliczanie prędkości średniej

Wychodząc wprost z równania Darcy-Weisbacha moŜna wyznaczyć

formułę na obliczenie prędkości średniej w przekroju w postaci

8 g

h

u =

R

str

h

λ

l

Pierwszy czynnik pod pierwiastkiem pierwotnie we wzorach empirycznych

przyjmowano jako parametr stały i oznaczano literą c. Jest to tzw. współczynnik

prędkości o wymiarze m1/2/s. Pod drugim pierwiastkiem występuje wielkość

h / l = I

str

e

wyraŜająca straty energii na jednostkę długości cieku. Po wstawieniu tych oznaczeń

do pierwszego wyraŜenia otrzymamy wzór Chézy'ego

u = C R J

h

e

Jest to jeden z najwcześniejszych wzorów empirycznych stosowany do

obliczeń hydraulicznych cieków naturalnych, pochodzący z drugiej połowy XVIII w.

Obliczanie prędkości średniej

Znanych jest wiele wzorów empirycznych na współczynnik prędkości c. W

większości przypadków uzaleŜniony on jest od promienia hydraulicznego Rh i

szorstkości przewodu. Obecnie najczęściej stosowane są dwa wyraŜenia: jeden

opisany powyŜej wyprowadzony z wzoru Darcy-Weisbacha oraz drugi podany

przez Manninga:

1

1

2

1

1

c =

R 6

3

u =

R

J 2

h

n

e

n

Wzór Manninga szczególnie szeroko stosowany jest

w obliczeniach koryt otwartych.

Współczynnik n zwany jest współczynnikiem szorstkości

a jego wymiarem jest m1/3/s.

Obliczanie prędkości średniej

NaleŜy zauwaŜyć, Ŝe wzór Chezy'ego i wzór Manninga posiadają współczynniki wymiarowe c i n dlatego z wzorów tych moŜemy otrzymać wartości poprawne jedynie wówczas, gdy pozostałe wielkości u i Rh wyraŜone są w tym samym układzie jednostek. Wartości współczynnika szorstkości n zestawione są w tablicach w zaleŜności od opisowej charakterystyki powierzchni ścian przewodu.