Турбулентным называется течение, сопровождающееся интенсивным перемешиванием жидкости с пульсациями скоростей и давлений. Наряду с основным продольным перемещением жидкости наблюдаются поперечные перемещения и вращательные движения отдельных объемов жидкости. Переход от ламинарного режима к турбулентному наблюдается при определенной скорости движения жидкости. Эта скорость называется критической v_кр.

Гидравлическое сопротивление (гидродинамическое сопротивление) – сопротивление движению тела со стороны, обтекающей его жидкости или сопротивление движению жидкости, вызванное влиянием стенок труб, каналов. При обтекании неподвижного потоком жидкости (газа) или, наоборот, когда тело движется в неподвижной среде, гидравлическое сопротивление представляет собой проекцию главного вектора всех действующих на тело сил, на направление движения. Гидравлическое сопротивление:

где p – плотность среды, v – скорость, S – характерная для данного тела площадь.
Безразмерный коэффициент гидравлического сопротивления С_х зависит от формы тела, его положения относительно направления движения и подобия критериев. Силу, с которой жидкость действует на каждый элемент поверхности движущегося тела, можно разложить на нормальную касательную составляющие, т.е. на силу давления и силу трения. Проекция результирующей всех сил давления на направление движения дает гидравлическое сопротивление давления, а проекция результирующей всех сил трения на направление движения – гидравлическое сопротивление трения. Тела, у которых сопротивление от сил давления мало по сравнению с сопротивлением от сил трения, считаются хорошо обтекаемыми. Гидравлическое сопротивление плохо обтекаемых тел определяется почти полностью сопротивлением давления. При движении тел вблизи поверхности раздела двух сред образуются волны, в результате чего возникает волновое сопротивление.
При протекании жидкости по трубам в гидравлике различают два вида гидравлического сопротивления: сопротивление трения, прямо пропорциональное длине участка потока, и местные гидравлические сопротивления, связанные с изменением структуры потока (отрывы, вихреобразование) на коротком участке при обтекании различных препятствий (в виде клапанов, задвижек), а также при внезапном расширении или сужении потока или при изменении направления его течения. В гидравлических расчетах гидравлическое сопротивление оценивается величиной «потерянного» напора h_v, представляющего собой ту часть удельной энергии потока, которая необратимо расходуется на работу сил сопротивления.

При свободном ламинарном течении (в отсутствие направляющих поверхностей) струи жидкости развиваются неустойчивости, и ламинарное течение переходит в турбулентное. На рис.1. представлено оптическое изображение текущей струи жидкости (число Рейнольдса Re=250). Хорошо видно, что течение от ламинарного режима через переходный трансформируется в турбулентный.

Потери напора в трубопроводах систем подачи и распределения воды вызываются гидравлическим сопротивлением труб и стыковых соединений, а также арматуры и соединительных частей.

Потери напора на единицу длины трубопровода («гидравлический уклон») i с учетом гидравлического сопротивления стыковых соединений следует определять по формуле

(1)

где l —коэффициент гидравлического сопротивления, определяемый по формуле

(2)

где d — внутренний диаметр труб, м;

v — средняя по сечению скорость движения воды, м/с;

g — ускорение свободного падения, м/с²;
Re = vd/v — число Рейнольдса; В₀ = CRe/vd;
v — кинематический коэффициент вязкости транспортируемой жидкости, м²/с.

При отсутствии стабилизационной обработки воды или эффективных внутренних защитных покрытий гидравлическое сопротивление новых стальных и чугунных труб быстро возрастает. В этих условиях формулы для определения потерь напора в новых стальных и чугунных трубах следует использовать только при проверочных расчетах в случае необходимости анализа условий работы системы подачи воды в начальный период ее эксплуатации.

Стальные и чугунные трубы следует, как правило, применять с внутренними полимер-цементными, цементно-песчаными или полиэтиленовыми защитными покрытиями.

Все гидравлические потери энергии делятся на два типа: потери на трение по длине трубопроводов и местные потери, вызванные такими элементами трубопроводов, в которых вследствие изменения размеров или конфигурации русла происходит изменение скорости потока, отрыв потока от стенок русла и возникновение вихреобразования.

Простейшие местные гидравлические сопротивления можно разделить на расширения, сужения и повороты русла, каждое из которых может быть внезапным или постепенным. Более сложные случаи местного сопротивления представляют собой соединения или комбинации перечисленных простейших сопротивлений.

Рассмотрим простейшие местные сопротивления при турбулентном режиме течения в трубе.

1. Внезапное расширение русла. Потеря напора (энергии) при внезапном расширении русла расходуется на вихреобразование, связанное с отрывом потока от стенок, т.е. на поддержание вращательного непрерывного движения жидких масс с постоянным их обновлением.

2. Постепенное расширение русла. Постепенно расширяющаяся труба называется диффузором. Течение скорости в диффузоре сопровождается ее уменьшением и увеличением давления, а следовательно, преобразованием кинетической энергии жидкости в энергию давления. В диффузоре, так же как и при внезапном расширении русла, происходит отрыв основного потока от стенки и вихреобразования.

3. Внезапное сужение русла. В этом случае потеря напора обусловлена трением потока при входе в более узкую трубу и потерями на вихреобразование, которые образуются в кольцевом пространстве вокруг суженой части потока.

4. Постепенное сужение русла. Данное местное сопротивление представляет собой коническую сходящуюся трубу, которая называется конфузором. Течение жидкости в конфузоре сопровождается увеличением скорости и падением давления. В конфузоре имеются лишь потери на трение.

5. Внезапный поворот трубы (колено). Данный вид местного сопротивления вызывает значительные потери энергии, т.к. в нем происходят отрыв потока и вихреобразования, причем потери тем больше, чем больше угол δ.

6. Постепенный поворот трубы (закругленное колено или отвод). Плавность поворота значительно уменьшает интенсивность вихреобразования, а следовательно, и сопротивление отвода по сравнению с коленом. Это уменьшение тем больше, чем больше относительный радиус кривизны отвода R / d . Коэффициент сопротивления отвода ζ_отв зависит от отношения R / d, угла δ, а также формы поперечного сечения трубы.