Отчет по эксперименту по исследованию гидравлического сопротивления гибкого садового шланга при прямолинейном и изогнутом положениях. Эксперимент проводился при постоянном давлении на входе (Δp = 100 кПа) с использованием объемного метода измерения расхода. Шланг длиной 4,00 м и внутренним диаметром 6,0 мм подключался к источнику с постоянным напором; расход определялся как отношение объема воды V (2,00 л) к времени заполнения мерной емкости τ. Для построения зависимости от кривизны эксперимент повторялся при радиусах изгиба: 0,50; 0,30; 0,20 и 0,15 м.
Расходы, переведенные в СИ, позволили рассчитать средние скорости течения и числа Рейнольдса. Все режимы течения оказались турбулентными (Re > 8900), что исключает влияние смены режима на снижение расхода. Коэффициенты гидравлического сопротивления λ были определены по уравнению Дарси–Вейсбаха. Для прямого шланга λ₀ = 0,0375. При изгибе шланга в кольцо радиусом 0,50 м λ увеличился до 0,0490 (в 1,31 раза), при R = 0,20 м — до 0,0930 (в 2,48 раза), а при R = 0,15 м — до 0,1330 (в 3,54 раза). Отношение λR/λ₀ коррелирует с квадратом отношения расходов: (Q₀/QR)², что подтверждает корректность расчетов.
Для анализа влияния кривизны рассчитано число Дина по формуле: De = Re · √(d/2R). Также определено приведенное число Дина: Deпр = Re₀ · √(d/2R), где Re₀ = 16909 — число Рейнольдса для прямого участка. Значения Deпр составили: 1310 (R = 0,50 м), 1691 (R = 0,30 м), 2071 (R = 0,20 м), 2391 (R = 0,15 м). Построенная зависимость λR/λ₀ от Deпр демонстрирует сильную нелинейность: при малой кривизне рост сопротивления умеренный, но при Deпр > 2000 наблюдается резкое ускорение.
Причиной скачкообразного увеличения гидравлического сопротивления является проявление вторичных течений Прандтля. В изогнутом участке центробежная сила смещает ядро потока к наружной стенке, а прилегающие слои воды движутся по внутренней стенке, формируя пару устойчивых вихрей в поперечном сечении. Эти течения, интенсивно развиваясь при достижении критического числа Дина, поглощают часть энергии напора на поддержание поперечной циркуляции, а не на продольный перенос жидкости. В результате при малом уменьшении радиуса изгиба (например, от 0,20 до 0,15 м) происходит качественный скачок в структуре потока — вторичные течения становятся доминирующими, что и обусловливает резкий рост коэффициента сопротивления, не объяснимый только изменением геометрии. Таким образом, потери давления в изогнутом шланге — результат сложной гидродинамической перестройки, а не просто увеличения длины пути.