Гидравлика: Лабораторный практикум, страница 11

Вертикальное расстояние от плоскости сравнения до уровня жидкости в пьезометре  (z+) представляет собой пьезометрический напор (удельную потенциальную энергию) в данном сечении.

Полный напор в данном сечении измеряется трубкой полного напора (б), представляющей собой тонкую изогнутую трубку, один конец которой помещен в поток так, что его нормальный срез проходит через мерную точку и ориентирован перпендикулярно скорости потока, другой конец (вертикальная прозрачная мерная трубка) открыт в атмосферу.Скорость  частиц жидкости, попадающих в приемное отверстие трубки, уменьшается до нуля, а давление, следовательно, возрастает на величину скоростного напора . Высота подъема жидкости в этой трубке относительно плоскости сравнения  –полный напор в сечении потока. Измерив разность высот подъема жидкости в трубке полного напора и пьезометре , легко определить местную скорость жидкости .

Уравнение Бернулли и его формы применимы не только для жидкостей, но и для газов при условии, что скорость их движения значительно меньше скорости звука.

4. РЕЖИМЫ ДВИЖЕНИЯ ЖИДКОСТИ

4.1. Ламинарный и турбулентный режимы движения жидкости

Наблюдения показывают, что в природе существуют два различных вида движения жидкости и от того, как именно будет происходить движение жидкости в тех или иных условиях существенно зависят потери энергии.

Еще в I880 г. Д. И. Менделеев в работе «О сопротивлении жидкостей и воздухоплавании» указал на наличие различных видов движения жидкости, которые отличаются друг от друга характером зависимостей сил трения от скорости движения. А в 1883 г. английский физик О. Рейнольдс доказал существование двух качественно различных режимов течения жидкости.

Наглядно особенности режимов движения можно наблюдать на опытной установке Рейнольдса (рис. 4.1).

К баку 1 с водой присоединена стеклянная труба 2, вход в трубу сделан плавным, в конце трубы установлен кран 3 для регулирования расхода потока. Над баком расположен сосуд 4, наполненный раствором краски, которая поступает в устье трубы по трубке 5. Открывая частично кран 3, можно заставить течь воду через трубу с различными скоростями (рис.4.2).

При малых скоростях течения воды в трубе краска образует прямолинейную и резко выделяющуюся струйку, которая не смешивается c окружающей ее водой (рис. 4.2, а).

Если ввести в жидкость краску несколькими струйками, то все они будут двигаться, не смешиваясь с остальной массой воды. Это свидетельствует о том, что в прямой стеклянной трубе при данном открытии крана вода движется отдельными не перемешивающимися между собой слоями. Поток в этом случае называется ламинарным.

Ламинарное течение – это слоистое, упорядоченное течение, при котором отдельные слои жидкости скользят друг относительно друга, не смешиваясь между собой. При таком течении все линии тока вполне определяются формой русла, по которому течет жидкость.

При увеличении скорости движения в трубе окрашенная струйка начинает  искривляться и  становится  волнообразной

(рис. 4.2, б). При дальнейшем увеличении скорости потока в трубе окрашенная струйка почти внезапно исчезает, размываясь по всему сечению трубы и окрашивая всю жидкость в трубе (рис. 4.2, в). Движение жидкости становится неупорядоченным, отдельные частицы окрашенной жидкости разлетаются во все стороны, сталкиваясь друг с другом, ударяются о стенки. Такое движение жидкости называется турбулентным.

Турбулентное течение – это течение, сопровождающееся интенсивным перемешиванием жидкости и пульсациями скоростей и давлений. Частицы жидкости движутся по сложным, все время меняющимся траекториям. Объясняется это тем, что при турбулентном движении наряду с основным продольным перемещением жидкости вдоль трубы имеют место поперечные перемещения и вращательное движение отдельных объемов жидкости. При постепенном закрывании крана явление повторится в обратном порядке. Однако переход от турбулентного режима к ламинарному происходит при скорости, меньше той, при которой наблюдается переход от ламинарного движения к турбулентному. Скорость потока, при которой происходит смена режима движения жидкости, называется критической. При переходе ламинарного режима в турбулентный она называется верхней критической скоростью , при переходе турбулентного режима движения в ламинарный – нижней критической скоростью . Значение верхней критической скорости зависит от внешних условий опыта: постоянства температуры, уровня вибраций установки и т. д. Нижняя критическая скорость в широком диапазоне изменения внешних условий остается практически неизменной.