Местные потери напора
Местные потери напора - это потери, обусловленные местными гидравлическими сопротивлениями, то есть такими элементами трубопроводов, в которых вследствие изменения поперечных размеров или конфигурации происходит деформация потока.
Всякая перестройка структуры потока связанная с появлением дополнительных касательных напряжений, причиной которых являются возникающие в потоке дополнительные вихреобразования.
Местные потери энергии имеют ту же физическую природу, что и потери по длине - это результат преобразования части механической энергии в тепловую за счет преодоления касательных напряжений трения.
Основные виды местных потерь напора можно условно подразделить на ряд групп, соответствующих определенным видам местных сопротивлений:
- потери, связанные с изменением поперечного сечения потока (внезапное или плавное расширение и сужение);
- потери, вызванные изменением направления потока (колена, угольники, отводы);
- потери, связанные с протеканием жидкости через арматуру различного типа (краны, вентили, задвижки, заслонки, приемные и обратные клапаны, сетки, фильтры);
- потери, связанные с разделением и слиянием потоков (тройники, крестовины).
Общим для всех видов местных сопротивлений является:
- искривление линий тока;
- изменение площади живого сечения;
- отрыв основной струи от стенок с образованием водоворотных зон;
- повышение пульсации скорости и давления.
Местные потери напора определяются по формуле Вейсбаха
,
где 
- коэффициент местного сопротивления.
Коэффициент местного сопротивления зависит в основном от формы местного сопротивления и его геометрических размеров.
Теоретически достаточно точно коэффициент местного сопротивления при турбулентном режиме движения можно определить для внезапного расширения, когда труба диаметром 
переходит в трубу с большим диаметром 
. Струя, выходящая из первой трубы, на некоторой длине расширяется и в сечении 2-2 заполняет все сечение второй трубы (рис. 2.1).
Рис. 2.1. Внезапное расширение
| Расширение струи сопровождается отрывом ее от стенок и образованием водоворотной зоны, имеющей кольцевую форму. В водоворотной зоне образуются вихри, происходит непрерывный обмен частицами жидкости, между основным потоком и завихренной его частью. Основной вихрь порождает другие, более мелкие вихри, что и является причиной потерь энергии, то есть местных потерь напора, которые будем обозначать через 
|
Обозначим давление, скорость и площадь потока в сечении 1-1 через 
, а в сечении 2-2 - через 
(рис.2.1). Будем считать, что распределение скоростей в сечениях 1-1 и 2-2 равномерное, то есть 
, касательное напряжение на стенке трубы между сечениями равно нулю, давление 
в сечении 1-1 действует по всей площади 
Запишем для данных сечений уравнение Бернулли, с учетом, что 
.
Тогда
.
Изменение количества движения отсека жидкости между сечениями 1-1 и 2-2 равно импульсу сил действующих на этот отсек. Проекция на ось X изменение количества движения определяется по формуле
.
Исходя из ранее принятого допущения, на рассматриваемый отсек жидкости действуют только силы гидродинамического давления, проектируемые на ось X
Разделим левую и правую части уравнения на 
и учитывая, что 
.
.
После преобразования окончательно имеем
.
Формула называется формулой Борда. Согласно ей потери напора при внезапном расширении равны скоростному напору потерянной скорости, так как разность 
называют потерянной скоростью.
Выражение можно привести к другому виду. Выразим первую скорость через вторую, используя уравнение расхода
.
Тогда
.
Обозначив
,
где 
- коэффициент гидравлического сопротивления при внезапном расширении потока.
Окончательно получим
.
Формула может быть преобразована, если выразить вторую скорость через первую
.
Обозначив
,
Окончательно получим
.
Рис. 2.2. Внезапное сжатие потока
| Рассмотрим внезапное сужение, то есть переход трубы диаметром  в трубу меньшего диаметра (см. рис. 2.2).
При переходе из трубы большего диаметра происходит сжатие потока до  , а затем наступает его расширение до  . Многочисленные исследования показали, потери напора на участке сжатия (от  до  )
|
пренебрежимо малы по сравнению с потерями напора на участке расширения (от 
до ).
Поэтому потери напора при входном сужении могут быть найдены по формуле Борда
.
Из уравнения неразрывности потока определим
.
Используя понятие коэффициента сжатия струи 
,
.
Обозначив
Окончательно получим
,
где 
- коэффициент местного сопротивления при внезапном сжатии потока.
Коэффициент сжатия струи 
зависит от степени сжатия потока 
.
Значение для различных видов местных сопротивлений находят экспериментально и выражают в виде эмпирических формул, графиков или в табличной форме. Причем эти значения приводятся, как правило, для скорости за местным сопротивлением.
Как показали экспериментальные исследования, коэффициент местного сопротивления зависит не только от вида самого местного сопротивления, но и от режима движения жидкости, то есть от числа Рейнольдса
Эти значения относятся к сопротивлениям, находящимся на значительном расстоянии (до 20 - 40 диаметров) одно от другого. При близком расположении местных сопротивлений их необходимо рассматривать как сложное единое сопротивление.