Потери удельной энергии (напора), или, как их часто называют, гидравлические потери, зависят от формы, размеров русла, скорости течения и вязкости жидкости, а иногда и от абсолютного давления в ней. Вязкость жидкости, хотя и является первопричиной всех гидравлических потерь, но далеко не всегда оказывает существенное влияние на их величину. Как показывают опыты, во многих, но не во всех случаях гидравлические потери приблизительно пропорциональны скорости течения жидкости во второй степени, поэтому в гидравлике принят следующий общий способ выражения гидравлических потерь полного напора в линейных единицах:
Такое выражение удобно тем, что включает в себя безразмерный коэффициент пропорциональности называемый коэффициентом потерь, или коэффициентом сопротивления, значение которого для данного русла в первом грубом приближении постоянно. Коэффициент потерь таким образом, есть отношение потерянного напора к скоростному напору. Гидравлические потери обычно разделяют па местные потери и потери на трение по длине. Местные потери энергии обусловлены так называемыми местными гидравлическими сопротивлениями, т. е. местными изменениями формы и размера русла, вызывающими деформацию потока. При протекании жидкости через местные сопротивления изменяется ее скорость и обычно возникают крупные вихри. Последние образуются за местом отрыва потока от стенок и представляют собой области, в которых частицы жидкости движутся в основном по замкнутым кривым или близким к ним траекториям. Примерами местных сопротивлений могут служить устройства, изображенные на рис. 1.28. Там же показаны отрывы потока и вихреобразования.
Рис. 1.28. Схемы местных гидравлических сопротивлений: а — задвижка; б — диафрагма; в — колено; г — вентиль
Выражение (1.57) часто называют формулой Вейсбаха. В ней v — средняя по сечению скорость в трубе, в которой установлено данное местное сопротивление. Если же диаметр трубы и, следовательно, скорость в ней изменяются по длине, то за расчетную скорость удобнее принимать большую из скоростей, т. е. ту, которая соответствует меньшему диаметру трубы.
Каждое местное сопротивление характеризуется своим значением коэффициента сопротивления которое во многих случаях приближенно можно считать постоянным для данной формы местного сопротивления. Более подробно местные гидравлические сопротивления будут рассмотрены в гл. 7. Потери на трение по длине, — это потери энергии, которые п чистом виде возникают в прямых трубах постоянного сечения, т. е. при равномерном течении, и возрастают пропорционально длине трубы (рис. 1.29).
Рассматриваемые потери обусловлены внутренним трением в жидкости, а потому имеют место не только в шероховатых, но и в гладких трубах. Потерю напора на трение можно выразить по общей формуле (1.56) для гидравлических потерь, т. е.
(Далее в пп. 1.24 и 1.30 эта формула для основных режимов течения жидкости будет получена теоретически.) Формулу (1.59) обычно называют формулой Вейсбаха — Дарси. Безразмерный коэффициент называют коэффициентом потерь на трение по длине, или коэффициентом Дарси. Его можно рассматривать как коэффициент пропорциональности между потерей напора на трение, и произведением относительной длины трубы на скоростной напор. Нетрудно выяснить физический смысл коэффициента А, если рассмотреть условие равномерного движения в трубе цилиндрического объема длиной I и диаметром d (см. рис. 1.29), т. е. равенство нулю суммы сил, действующих на объем: сил давления и силы трения. Это равенство имеет вид
Ввиду постоянства объемного расхода несжимаемой жидкости вдоль трубы постоянного сечения скорость и удельная кинетическая энергия также остаются постоянными, несмотря на наличие гидравлических сопротивлений и потерь напора. Потери напора в этом случае определяются разностью показаний двух пьезометров (см. рис. 1.28 и 1.29). Нахождение численных значений коэффициента А, потерь на трение для различных конкретных случаев течения жидкости подробно рассмотрено в гл. 5 и 6.
