Исследование режимов течения жидкости: Методические указания к выполнению лабораторной работы, страница 2

При небольшой скорости движения жидкости краска, попав в поток жидкости в виде тонкой струйки, продолжает на всем протяжении потока двигаться струйкой (рис.1,а). Это значит, что частицы испытуемой жидкости также движутся струйчато (слоисто). Это ламинарный режим.

Рис. 1.   Режимы движения жидкости

При увеличении скорости движения жидкости окрашен­ная струйка приобретает волнистое очертание (переходная зо­на), а затем внезапно разрушается на отдельные частицы, ко­торые далее двигаются по случайным неопределенно искрив­ленным траекториям, окрашивая весь поток жидкости. Это турбулентный режим. При таком режиме часть энергии затрачивается на поперечное перемещение и перемешивание час­тиц жидкости, вследствие чего турбулентный режим требует больших удельных затрат на перемещение жидкости, чем ла­минарный.

На основе эксперимента может быть построен график за­висимости числа Рейнольдса от скорости потока жидкости (рис.2), на котором будут отмечены моменты перехода режи­мов движения жидкости один в другой и наоборот.

Рис.2. Зависимость числа Рейнольдса  от скорости потока жидкости

Рейнольдс определил два критических числа - верхнее и нижнее. Верхнее критическое число Рейнольдса соответствует моменту перехода от ламинарного режима к турбулентному: Reкр.в=12000. Нижнее критическое число Рейнольдса соответст­вует моменту перехода от турбулентного режима к ламинарно­му: Reкр.н = 998. На участке между этими двумя критическими числами Рейнольдса возможно существование как ламинар­ного, так и турбулентного режима движения жидкости. Это зависит от условий входа жидкости в трубу, шероховатости стенок и других случайных факторов.

В практических расчетах число Рейнольдса используется при определении сопротивления трубопроводов. Обычно для жестких трубопроводов критическое число Рейнольдса прини­мают Reкр =2320.

При Rei < Reкр  ламинарное движение яв­ляется вполне устойчивым: всякого рода искусственная турбулизация потока и его возмущения (сотрясение трубы, введение в поток колеблющегося тела и др.) погашаются влиянием вяз­кости, и ламинарный режим течения жидкости снова восста­навливается. При Rei > Reкр  наоборот, турбулентный режим устойчив, а ламинарный не устойчив.

Если живое сечение потока отличается от круглого или в трубопроводе имеется большое число близко расположенных местных сопротивлений, критическое число Рейнольдса может отличаться от приведенного выше значения. Так, например, для гибких шлангов в системе гидропривода Reкр =1600.

От режима движения жидкости зависят не только потери на преодоление сопротивления трубопровода, но и энергетические параметры потока. На рис.3 показаны эпюры скоро­стей в живом сечении потока жидкости в круглой трубе.

Рис.3. Эпюры скоростей при ламинарном (а) и турбу­лентном (б)

режимах движения жидкости

Эпюра скоростей в случае ламинарного режима в трубо­проводе круглого сечения представляет собой параболоид вращения, ось которого совпадает с геометрической осью тру­бы. Сопротивление трубопровода в этом случае прямо про­порционально вязкости жидкости и обратно пропорционально числу Рейнольдса.

Расчетами можно доказать, что Vср = 0,5Vmax .

 Эпюра скоростей турбулентного режима имеет ярко вы­раженное турбулизированное ядро потока с примерно одина­ковыми средними скоростями. Лишь частицы жидкости, близ­ко расположенные к стенке, испытывают от нее тормозящее действие сил трения и образуют так называемый ламинарный подслой. В этом случае сопротивление трубопровода в наи­большей степени определяется шероховатостью стенок трубы и имеет квадратичную зависимость от скорости жидкости и числа Рейнольдса. Средняя скорость потока Vср несколько меньше Vmax, а при абсолютно турбулентном режиме (что возможно только теоретически для идеальной жидкости) Vср = Vmax .