Изучение режимов движения рабочих сред в системах под давлением

ПРАКТИЧЕСКАЯ РАБОТА № 1

Изучение режимов движения рабочих сред в системах под давлением

Существует два режима направленного движения рабочих сред: ламинарный и турбулентный. При ламинарном режиме отдельные слои рабочей среды движутся параллельно, не смешиваясь, при турбулентном – частицы рабочей среды движутся беспорядочно по разнообразным неопределенным траекториям. Движение среды при турбулентном потоке сопровождается пульсацией скорости и давления, что негативно сказывается на работе исполнительных устройств систем под давлением, поэтому наиболее целесообразно на практике применять ламинарное движение потока рабочей среды в трубопроводах и магистралях.

Таким образом, для обеспечении безопасных условий эксплуатации систем под давлением возникает необходимость определения граничных условий движения среды при котором ламинарный поток переходит в турбулентный и наоборот.

Решению данных вопросов были посвящены исследования О. Рейнольдса, который доказал, что режим движения рабочей среды зависит от скорости движения, размеров потока, плотности и вязкости среды. Комплекс указанных величин, характеризующих режим движения рабочей среды называют числом Рейнольдса (безразмерная величина):

,                    (1.1)

где R – гидравлический радиус потока; μ – динамическая вязкость рабочей среды; v – скорость движения направленного потока рабочей среды; ρ-  плотность рабочей среды; υ – вязкость рабочей среды.

Согласно (1.1) можно определить число Рейнольдса для потока любого сечения. В производственной практике трубопроводы систем под давления имеют преимущественно правильное (круглое) сечение, с учетом этого выражение (1.1) можно привести к виду:

,                             (1.2)

где d – внутренний диаметр трубопровода потока рабочей среды. Поскольку гидравлический радиус потока в таких трубопроводах равен R=4d                                 (1.3), то

Re=4Re_d                                           (1.4)

Границы существования режимов движения сред определяются двумя значениями числа Рейнольдса: верхним Re^’_кр и нижним Re_кр. При Re ≤ Re^’_кр наблюдается устойчивый ламинарный режим движения рабочей среды. При Re > Re^’_кр – устойчивый турбулентный режим. В интервале Re^’_кр > Re > Re_кр режим движения рабочей среды неустойчивый: ламинарный режим легко переходит в турбулентный.

В настоящее время при расчетах принимают Re_кр = 250…500; для цилиндрических труб Re_dкр = 1000 – 2000. При проведении испытаний принимают Re^’_кр = 575 и Re_dкр  = 2300.

На практике чаще наблюдается турбулентный режим, например, при движениях воды в трубах из-за ее сравнительно малой вязкости и большой скорости течения. При движении вязких сред (нефть, масло и др.) с небольшой скоростью наблюдается ламинарный режим.

При ламинарном режиме максимальную скорость движения имеют частицы рабочей среды, движущейся вдоль оси трубопровода. У стенок трубопровода скорость стремится к нулю из-за трения прилегающих частиц к внутренним стенкам, при этом образуется тонкий неподвижный слой среды.

При турбулентном режиме распределение скорости частиц среды более равномерное. Однако скорость слоев, прилегающих к стенкам трубопровода ниже и режим движения среды здесь близок к ламинарному. Толщина этого слоя мала по сравнению с общим сечением трубопровода, поэтому режим течения среды в общем сечении трубопровода принято также считать турбулентным.