Файл: Движение жидкости по трубам и пожарным рукавам.doc

УТВЕРЖДАЮ

Заместитель начальника УЦ УГПС

подполковник внутренней службы

Д.Б. Корольков

«____» _______________ 2003 г.

План-конспект

для проведения занятия со слушателями категории обучения (СНС) по предмету «Пожарная техника»

Тема: « Движение жидкости по трубам и пожарным рукавам ».

Цели занятия:
Образовательная:Изучить порядок расчета линейных и местных потерь напора

гидравлический удар в трубах и пожарных рукавах

Воспитательная: Продолжить формирование у слушателей добросовестного отношения к труду, убежденности в практической значимости получаемых знаний.
Развивающая: Продолжить развивать умения работать в ускоренном темпе и развитию наблюдательности у слушателей.
Форма занятия: - урок.
Время: 2 учебных часа.
Метод занятия: комбинированный.
Место проведения: аудитория
Литература: Качалов «Противопожарное водоснабжение»

План -проведения занятия

1. Подготовительная работа 10 минут
2. Изложение нового материала 50 минут

• 
  порядок расчета линейных и местных потерь напора
  
• 
  гидравлический удар в трубах и пожарных рукавах
  

3. Закрепление пройденного материала 10 минут
Контрольные вопросы:

• 
  от чего зависят потери напора
  
• 
  формула Вейсбаха
  
• 
  гидравлический удар
  

4. Подведение итогов 5 минут

• 
  разборка ответов слушателей, выставление оценок
  
• 
  разбор наиболее сложных вопросов и характерных
  

ошибок допускаемых при ответе
5. Задание на самоподготовку. 5 минут
Литература: Качалов «Противопожарное водоснабжение»

Изучаемые вопросы:

• 
  порядок расчета линейных и местных потерь напора
  
• 
  гидравлический удар в трубах и пожарных рукавах
  

Знать: физико-химические свойства воды, основы гидростатики и гидродинамики

ДВИЖЕНИЕ ВОДЫ ПО ТРУБАМ И ПОЖАРНЫМ РУКАВАМ
Виды гидравлических сопротивлений

Решение многих практических задач гидравлики сводится к определению потерь напора при движении перекачиваемой по трубопроводам жидкости. Потери напора движущего потока вызываются сопротивлениями двух видов:

---

сопротивлениями по длине, обусловленными трением жидкости о стенки трубы и слоев жидкости друг о друга;

Местными сопротивлениями, обусловленными изменением скорости потока по величине и направлению.

Общую величину потерь напора h для участка трубопровода, заключенного между двумя сечениями, определяем, используя уравнение Бернулли:

h = z1 – z2 + (p1 – p2)/ρg + (υ²1 - υ²2)/2g.

Следовательно, для определения h достаточно изменить разности геометрических отметок z1 – z2, показаний пьезометров (p1 – p2) /ρg и скоростных напоров (υ²1 - υ²2)/2g в указанных сечениях потока. При равномерном движении в горизонтальной трубе (z = const, υ = const) потери напора определяют по формуле

h + (p1 – p2) /ρg = ∆p /ρg,

т.е. потери напора находят по разности показаний пьезометров в сечениях трубопровода.
Потери напора по длине трубопровода

При установившемся движении жидкости потери напора зависят от физических свойств жидкости, скорости течения, размеров трубопровода и шероховатости стенок трубы. Эта зависимость может быть выражена формулой Дарси – Вейсбаха, позволяющей рассчитать потери напора по длине и применимой как при ламинарном, так и при турбулентном режиме:

l υ²

hl = λ d 2g,

где hl – потери напора по длине трубопровода; λ – коэффициент гидравлического трения; l, d – длина и внутренний диаметр трубы; υ –средняя скорость течения; g – ускорение силы тяжести.

Из формулы (21) следует, что потери напора на трение по длине прямо пропорциональны, т.е. возрастают с увеличением скорости течения и длины трубопровода и обратно пропорциональны диаметру трубы. Коэффициент гидравлического трения в формуле Дарси- Вейсбаха в общем случае определяется величиной двух безразмерных параметров, представляющих собой число Re и относительную шероховатость ∆∕d.

Установлено, что при ламинарном режиме коэффициент λ зависит только от числа Re и может быть определен по формуле Паузейля-Стокса, получаемой теоретическим путем и хорошо согласующейся с опытными данными:

λ = 64/ Re.

При турбулентном режиме коэффициент гидравлического трения рассчитывают по эмпирическим формулам, учитывающим в той или иной степени влияние шероховатости труб. Шероховатость характеризуется величиной и формой различных выступов и неровностей, имеющихся на поверхности стенок, и зависит от материала стенок трубы, способа изготовления и чистоты обработки поверхности. В качестве основной характеристики шероховатости служит так называемая

---

абсолютная шероховатость ∆, представляющая собой средний размер указанных выступов, измеренных в единицах длины.

Если размер выступов шероховатости будет меньше толщины ламинарного подслоя, турбулентное ядро потока будет соприкасаться не с выступами шероховатости, а с ламинарным подслоем жидкости, скользя по его поверхности как по гладкой трубе. В этом случае труба называется гидравлически гладкой, и коэффициент гидравлического трения будет зависеть только от числа Рейнольдса.

В области гидравлически гладких труб при Re∆/ d<10 можно использовать формулу Блазиуса:

0,25

λ = 0,3164/Re

Если же толщина ламинарного подслоя меньше величины выступов шероховатости, то неровности поверхности стенок будут выступать в турбулентное ядро потока, увеличивать беспорядочность движения и существенным образом влиять на потери энергии. Такие трубы называются гидравлически шероховатыми.

Для гидравлически шероховатых труб коэффициент λ зависит как от числа Re, так и от шероховатости внутренней поверхности трубы и может быть определен по формуле А.Д. Альбшула:

0,25

λ = 0,11 (68/ Re + ∆/ d) .

В этой формуле фигурирует не абсолютный размер ∆ выступов шероховатости, а отношение этого размера к диаметру трубы, т.е. так называемая относительная шероховатость ∆/ d, так как одна и та же абсолютная шероховатость может совершенно не сказаться на сопротивление трубы большего диаметра, но способна значительно увеличить сопротивление трубы малого диаметра.

при развитой турбулизации потока и больших значениях Re и ∆/ d коэффициент λ перестает зависеть от Re и становится постоянным для данной относительной шероховатости.

В области с развитой турбулентностью потока при Re∆/ d<100 для определения λ справедлива формула Шифринсона:

0,25

λ = 0,11 (∆/ d) .

Для водопроводных сетей из стальных и чугунных труб, бывших в эксплуатации, при скорости движения воды υ≥ 1,2 м/с коэффициент λ можно определять по формуле Ф.А. Шевелева:

λ = 0,021/dº’³,

где d – диаметр трубы, м.

Следует отметить, что понятие гидравлически гладкая труба является условным. Поскольку толщина ламинарного подслоя непостоянна и уменьшается с увеличением числа Re, одна и та же внутренняя поверхность трубы может вести себя по- разному: в одном случае как гладкая, в другом – как шероховатая.

Ориентировочные значения абсолютной шероховатости ∆ в зависимости от материала труб и их состояния приведены в табл.3.
Таблица 3. Значение абсолютной шероховатости ∆ для труб

---

Материал и вид труб	Состояние труб	∆, мм
Стальные бесшовные	Новые и чистые, тщательно уложенные После нескольких лат эксплуатации	0,015 0,022
Стальные сварные	Новые и чистые Умеренно заржавевшие Старые заржавевшие С большими отложениями	0,06 0,5 1,0 3,0
Оцинкованные: стальные чугунные	Новые и чистые После нескольких лет эксплуатации Новые асфальтированные Новые без покрытия Бывшие в употреблении Очень старые	0,15 0,5 0,08 0,3 1,0 3,0
Асбестоцементные	Новые	0,075
Бетонные	Новые из предварительно напряженного бетона Новые центробежные Бывшие в употреблении Из необработанного бетона	0,03 0,2 0,5 2,0

Условия эксплуатации водонапорных сетей при пропуске пожарных расходов в большинстве случаев соответствуют турбулентному течению водыв гидравлически шероховатых трубах, при котором коэффициент гидравлического трения λ является постоянной величиной и может определяться заранее с учетом вида материала и состояния труб. Это обстоятельство позволяет значительно упростить формулу Дарси – Вейсбаха (21).

Выразим в формуле 921) среднюю скорость через расход, исходя из условия неразрывности потока:

υ = Q/ω.

Тогда потери можно выразить уравнением:

l Q²8 λ 5

hl = λ d ω²2g = π²gd lQ²

5

Обозначая А = 8λ/π²gd, получим

hl = AlQ².
Величину А в формуле (27) называют удельным сопротивлением, оно определяет потери напора, приходящиеся на 1 м трубопровода при единичном расходе и имеет размеренность с²/ м‘. Значения удельного сопротивления для стальных и чугунных труб приведены в табл. 4.
Сопротивление по всей длине l трубопровода составит

S= Al.

Тогда формула для определения потерь напора по длине примет вид:

hl = S Q².
Таблица 4. Значения удельных сопротивлений (А) для труб различных диаметров

d, мм	Стальные трубы	Чугунные трубы
	А (для Q, м³/с)	А (для Q, м³/с)
20 25 32 40 50 70 80 100 125 150 175 200 250 300 350 400 450 500 600 700	1643000 436700 93860 44530 11080 2893 1168 267 86,2 33,9 20,79 6,959 2,187 0,8466 0,3731 0,1859 0,09928 0,05784 0,02262 0,01098	- - - - 13360 - 1044 339,1 103,5 39,54 - 8,608 2,638 0,9863 0,4368 0,2191 0,1187 0,06782 0,02596 0,01154

---

В табл. 4 значения А даны при сопротивлениях с постоянными значением λ, которые, как указывалось выше, наблюдаются при скорости движения воды υ≥ 1,2 м/с.

При υ<1,2 м/с в формулы (27) и (28) необходимо ввести поправочный коэффициент Кп, величина которого зависит от средней скорости движения воды в трубе (табл. 5)

hl = КП А l Q². =КПS Q².

Таблица 5. Значение поправочного коэффициента

υ, м/с	0,2	0,3	0,4	0,5	0,6	0,7	0,8	0,9	1,0	1,2
КП	1,41	1,28	1,20	1,15	1,11	1,09	1,06	1,04	1,03	1,0

Потери напора в местных сопротивлениях

Местные потери напора зависят от скорости движения жидкости, геометрических размеров и формы местных сопротивлений и определяются по формуле Вейсбаха:

hМ = ζυ²/2g,

где ζ – коэффициент местного сопротивления, отнесенный к скоростному напору за местным сопротивлением.

Иногда коэффициент местного сопротивления выражают через эквивалентную длину трубопровода lЭ. Эквивалентной длиной называют длину такого прямоугольного участка трубопровода данного диаметра, путевые потери напора в котором при пропуске постоянного по объему расхода равны потерям напора от местных сопротивлений.

Приравнивая формулы (21) и (31), получим уравнение:

lЭυ² υ²

λ d 2g = ζ 2g

откуда

ζ = lЭ λ / d.

В водопроводных трубах потери напора в местных сопротивлениях (повороты, задвижки, краны, разветвления, изменение живого сечения и т.п.) составляют обычно 5 – 30 % потерь напора на трение по всей длине трубопровода. На некоторых участках водопроводной сети, например во всасывающих линиях, местные потери напора могут быть больше линейных потерь.

Следует отметить, что при турбулентном режиме движения жидкости величина коэффициента местного сопротивления ζ постоянна.

При ламинарном режиме движения на местные потери напора влияет на только характер сопротивления, но и вязкость жидкости. А.Д. Альтшуль предложил определять коэффициент местного сопротивления по следующей формуле, применяемой как при ламинарном, так и при турбулентном режиме:

---