Движение жидкости в трубопроводе

Для того, чтобы рассчитать потери напора по длине трубопровода нужно определить режим движения жидкости в трубопроводе. 

Существует два основных режима движения жидкости: ламинарный и турбулентный.

При ламинарном режиме движение жидкости в трубопроводе  происходит параллельными слоями, при этом частицы жидкости из одного слоя не перемешиваются с частицами жидкости из другого слоя. Слои жидкости движутся с разными скоростями. Распределение скоростей в трубе происходит перпендикулярно потоку и имеет вид параболы. Скорость движения изменяется от нуля - у стенки трубы, до максимума - на оси трубы. Сопротивление движению происходит вследствие вязкого трения между слоями жидкости и почти не зависит от шероховатости стенок. Ламинарный режим движения жидкости наблюдается при малых скоростях потока и движении вязких жидкостей. При движении жидкости в данном режиме происходят минимальные потери напора, пропорциональные первой степени скорости потока.

При турбулентном режиме частицы жидкости движутся по сложным траекториям, с различной скоростью, создавая вихри. Скорость движения частиц различается по направлению и величине около среднего значения. Такое явление называется пульсацией скорости. Для турбулентного режима характерно беспорядочное перемещение частиц жидкости: частицы с большей скоростью сталкиваются с частицами с меньшей скоростью, столкнувшиеся частицы сталкиваются с другими частицами и т.д. В результате такого движения средняя скорость в турбулентном ядре выравнивается. Значительное снижение скорости наблюдается только у стенок трубы, где за счет сил трения образуется ламинарный подслой. Движение жидкости в трубопроводах водоснобжения и отопления происходит, как правило, в турбулентном режиме. Турбулентный режим включает в себя три области: область гидравлически гладких труб, доквадратичная область, квадратичная область (область гидравлически шероховатых труб). Режимы называются, соответственно: турбулентный гладкостенный режим, турбулентный доквадратичный режим, турбулентный квадратичный режим. При турбулентном режиме потери напора пропорциональны средней скорости в степени n больше 1, обычно n равно степени от 1,75 до 2.

Понятие гидравлически гладких и гидравлически шероховатых труб является относительным. Одна и та же труба при малой скорости потока может быть гидравлически гладкой, а при большой скорости потока - гидравлически шероховатой. Все дело в ламинарном подслое. При увеличении скорости ламинарный подслой истончается и выступы шероховатости попадают в турбулентное ядро.

Еще одним режимом движения жидкости в трубопроводе, о котором мы еще не упомянули, является переходный режим - от ламинарного к турбулентному. Это неустойчивый режим движения жидкости, в котором возможно как ламинарное движение, так и турбулентное.

Предлагаю посмотреть видео, в котором демонстрируется ламинарный и турбулентный режимы движения жидкости:

О режиме движения жидкости судят по величине числа (критерия) Рейнольдса (Re).

Таким образом, число Рейнольдса - это отношение произведения средней скорости потока и внутреннего диаметра трубы к кинематической вязкости жидкости.

Выделим пять режимов движения жидкости в трубопроводе и укажем интервалы чисел Рейнольдса, соответствующие каждому из режимов.

1. Ламинарный режим. 

2. Переходный режим. 

3. Турбулентный гладкостенный режим. 

4. Турбулентный доквадратичный режим. 

5. Турбулентный квадратичный режим. 

 - внутренний диаметр трубы, м

 - эквивалент шероховатости, для полимерных труб равен 0,01 мм, что составляет 0,00001 м

Предыдущая статья: Потери напора в трубопроводе

Следующая статья: Потери напора по длине трубопровода