«Гидравлически гладкие» и «гидравлически шероховатые» трубы в противопожарном водоснабжении. Что это значит?
При транспортировке огнетушащей жидкости в системах водяного пожаротушения возникают гидравлические потери напора, обусловленные сопротивлением трения и местными сопротивлениями. Об этом мы рассказывали в статье https://portal.edufire37.ru/articles/242. Величина гидравлических потерь является параметром, определяющим тактические возможности системы пожаротушения, ее расчет требует грамотного учета всех факторов, влияющих на гидравлические сопротивления.
При определении линейных потерь напора (потерь на трение) важно правильно определить значение коэффициента трения λ. Рассмотрим влияние шероховатости внутренней поверхности трубопровода на коэффициент трения и, соответственно, на потери напора, при разных режимах движения жидкости в нем.
Твердые стенки трубопровода, ограничивающие поток жидкости, всегда в той или иной степени обладают шероховатостью. Шероховатость стенок трубопровода создаёт дополнительное сопротивление движению жидкости, т.к. выступы шероховатости способствуют активизации перемешивания частиц и возникновению вихреобразования, что приводит к потерям напора (давления). В качестве основной характеристики шероховатости служит так называемая абсолютная шероховатость- средняя величина выступов и неровностей внутренней поверхности трубопровода, измеренная в линейных единицах. Она зависит от материала внутренней поверхности трубопровода, способа ее обработки. С течением времени шероховатость обычно изменяется из-за появления ржавчины, коррозии, отложения осадков и т.д. Для характеристики влияния шероховатости на величину гидравлических сопротивлений, а также исходя из условий соблюдения подобия, используется понятие относительная шероховатость- это безразмерное отношение абсолютной шероховатости к внутреннему диаметру трубопровода. Относительная шероховатость является более универсальной характеристикой. Так, одинаковая абсолютная шероховатость может не оказывать влияния на сопротивление трубопровода большого диаметра, но значительно влиять на сопротивление трубопровода малого диаметра. Величина, обратная относительной шероховатости, называется относительной гладкостью.
На величину гидравлических сопротивлений влияет не только значение абсолютной шероховатости (высоты выступов), но и в значительной степени их форма, густота и характер расположения. Стенки трубопроводов имеют различную поверхность, причем шероховатость стенок оказывается настолько сложной и разнообразной, что с трудом поддается описанию: поверхность покрыта беспорядочно разбросанными выступами различной формы. Таким образом абсолютная шероховатость не может полностью характеризовать влияние стенок на движение жидкости. Поэтому в настоящее время для того, чтобы охарактеризовать шероховатость стенки трубопровода при гидравлических расчетах обычно пользуются понятием эквивалентной шероховатости. Она представляет собой воображаемую равномерную однородную шероховатость, которая при расчетах дает одинаковую с действительной неравномерной шероховатостью величину потерь напора.
Если движение жидкости в трубопроводе происходит в ламинарном режиме, то потери напора не зависят от шероховатости внутренней поверхности трубопровода, т.е. имеет место только трение жидкости о жидкость, а не жидкости о стенку.
В связи с достаточно большими расходами воды на пожаротушение в системах подачи воды к меcту пожара, как правило, реализуется турбулентный режим движения в трубопроводах. При переходе от ламинарного течения к турбулентному гидравлическое сопротивление значительно возрастает. Турбулентный поток в трубопроводе условно можно разбить на две части: турбулентное ядро в центральной части потока и пристеночный ламинарный слой, в котором наблюдается параллельно-струйное ламинарное движение жидкости. Толщина ламинарного слоя уменьшается с увеличением числа Рейнольдса и при развитом турбулентном движении в ядре потока составляет тысячные доли диаметра трубопровода и измеряется долями миллиметра. Несмотря на то, что ламинарный слой занимает весьма малую долю площади живого сечения трубы, он существенным образом влияет на гидравлическое сопротивление.
Поверхности трубопроводов условно разделяют на гидравлически гладкие и гидравлически шероховатые.
Схемы течения жидкости в трубопроводах:
а – гидравлически гладких; б – гидравлически шероховатых
Если ламинарный слой толщиной δ, обволакивающий выступы шероховатости Δ, полностью их перекрывает (рисунок, а), то потери напора не будут зависеть от шероховатости стенок трубопровода: в этом случае жидкость будет скользить по ламинарному слою, вызывая трение жидкости о жидкость. В этом случае имеет место область гидравлически гладких труб. И хотя в целом режим движения турбулентный, но выступы шероховатости погружены в ламинарный слой, коэффициент трения λ будет зависеть, как при ламинарном режиме, только от числа Re.
С увеличением числа Re ламинарный слой становится тоньше и выступы шероховатости попадают в турбулентное ядро (рисунок, б). Они становятся дополнительными очагами возмущения потока, позади выступов создаются вихри, на образование которых затрачивается механическая энергия движения жидкости. Это область гидравлически шероховатых труб.
Отсюда ясно, что понятие гидравлически гладкой и гидравлически шероховатой поверхностей- относительные: одна и та же труба при малых числах Re может быть гладкой, а при больших числах Re – шероховатой. Например, при увеличении числа Рейнольдса толщина ламинарной плёнки уменьшается, и стенка, бывшая гидравлически гладкой, может стать шероховатой, т.к. высота выступов шероховатости окажется больше толщины ламинарной пленки.
Для определения коэффициента гидравлического трения λ используются эмпирические зависимости и графики (например, график Никурадзе), полученные на основе экспериментальных данных с учетом рассмотренных особенностей движения жидкостей в трубопроводах.
Таким образом, чтобы правильно определить величину потерь напора в системе водяного пожаротушения необходимо выяснить в каком режиме и области трения происходит движение жидкости в рассматриваемых условиях.
