1.4. Експериментальні дослідження

Першим найбільш повні експериментальні дослідження залежності коефіцієнта  від числа Re та відносної шорсткості труб виконав І. Нікурадзе. У 1933 році були опубліковані результати його дослідів для труб діаметром 25...100 мм зі штучно створеною шорсткістю (труби покривали зсередини лаком і рівномірно наносили піщинки діаметром 0,2...3,2 мм). Результати цих дослідів узагальнені на графічній залежності, яку називають графіком Нікурадзе (рис. 2).

Р ис. 2. Графік Нікурадзе – експериментальна залежність коефіцієнта гідравлічного тертя  від числа Рейнольдса Re та відносної гладкості d/ для труб зі штучною однорідною шорсткістю

Графік Нікурадзе будують, як правило, в логарифмічних осях, тому зона ламінарного режиму, для якої =64/Re, зображається прямою лінією (І). Слід пам’ятати, що стійкий ламінарний режим має місце при Re<2300; при певних умовах він може "затягнутися" до Re = 4000...5000, а на лабораторних стендах – навіть до 10000, але така течія є нестійкою і при найменшому збуренні вона переходить у турбулентну, і коефіцієнт  при цьому помітно збільшується. Тому при практичних розрахунках приймають, що при Re>2300 в трубі встановився турбулентний режим руху, далі визначають, яка саме зона опору має місце і обчислюють значення коефіцієнта  за відповідною формулою.

Розглянемо, як зображаються на графіку Нікурадзе різні зони опору турбулентного режиму.

Зона гладкостінного опору (II) описується формулою Прандтля-Нікурадзе, а при Re10⁵ експериментальні точки достатньо добре "лягають" на пряму лінію, що описується степеневою формулою Блазіуса.

Зона доквадратичного опору представлена сімейством кривих (ІІІ), кожна з яких відповідає певному значенню відносної шорсткості , причому при більшому  лінія проходить вище.

Зона квадратичного опору (IV) описується сімейством горизонтальних ліній, тобто кожному значенню відносної шорсткості відповідає певне значення коефіцієнта гідравлічного тертя , яке не змінюється з ростом числа Re.

Експериментальні дослідження на трубах з технічною (неоднорідною) шорсткістю були вперше виконані І. Ісаєвим (d=200...350 мм) в 1932-1936 рр., Колбруком і Уайтом у 1938-1939 рр., Г. Муриним (d=40...170 мм) у 1948 р., Ф. Шевелєвим (d=600...1200 мм) у 1953 р.

Рис. 3. Експериментальна залежність коефіцієнта гідравлічного тертя  від числа Рейнольдса Re та відносної гладкості d/_е для труб з технічною неоднорідною шорсткістю

На рис. 3 показано типовий графік залежності коефіцієнта  від числа Рейнольдса та відносної гладкості для технічних труб. Основною його відмінністю від графіка Нікурадзе є відсутність мінімумів коефіцієнта  у зоні доквадратичного опору; коефіцієнт Дарсі при зростанні числа Рейнольдса плавно зменшується, прямуючи до певного постійного значення в автомодельній зоні опору.

2. Опис лабораторної установки

Схема лабораторної установки подана на рис. 4. Установка складається з трьох прямих ділянок 1, виконаних з труб різного матеріалу. Вентилі 2 встановлено на початку кожної прямої ділянки для можливості їх відключення. На виході з трубопроводу встановлено вентилі 3, призначені для регулювання витрати рідини на ділянках. Витрату рідини визначають об’ємним методом з допомогою мірних баків. Малий мірний бак 4 використовують при незначних витратах рідини, великий мірний бак 5 – при великих витратах. Обидва баки обладнані вимірними блоками, які складаються з п’єзометричної трубки та шкали, проградуйованої в одиницях об’єму (в літрах). Спорожнення мірних баків здійснюють за допомогою коркових кранів 6.

Р ис. 4. Схема експериментальної установки

Для визначення втрат напору по довжині використовують:

– при малих витратах рідини (відповідно, при малих втратах напору) – диференційний п’єзометр 7;

– при великих витратах рідини (при великих втратах напору) – диференційний манометр 8 разом з індикаторним та записуючим пристроєм 9.

П’єзометричний напір в трубах на початку та в кінці прямих ділянок передається на вимірні пристрої за допомогою імпульсних трубок 10. Тиск від імпульсних трубок не може передаватися одночасно і на диференційний п’єзометр 7, і диференційний манометр 8. Для перемикання з одного приладу на інший служить спеціальна розподільна коробка 11.