11

Министерство образования Российской Федерации

ВПО ГОУ Уральский государственный технический университет –УПИ

Режимы движения жидкости

Методические указания к лабораторной работе

по дисциплинам «Гидравлика», «Механика жидкости и газа» для

студентов всех форм обучения машиностроительных

специальностей

Екатеринбург 2005

УДК 62-585.2.001.4

Составитель Н.Е.Лаптева

Научный редактор доц., канд. техн. наук Л.Г.Пастухова

Режимы движения жидкости:

Методические указания к лабораторной работе по дисциплинам «Гидравлика», «Механика жидкости и газа» / Н.Е. Лаптева. Екатеринбург: ВПО ГОУ УГТУ-УПИ, 2005.

11с.

Данная работа содержит описание лабораторной работы; приведена схема установки, указан порядок проведения опытов и обработки результатов экспериментов.

Библиогр.: 2 назв. Рис. 2 . Табл.1.

Подготовлено кафедрой гидравлики.

© ВПО ГОУ Уральский государственный

технический университет –УПИ, 2005

Основные положения

Экспериментальным путём установлено, что существует два принципиально различных режима движения жидкости: ламинарный и турбулентный.

Ламинарным называется упорядоченное слоистое движение жидкости без поперечного перемешивания и пульсаций скорости и давления. Ламинарный режим может установиться при движении очень вязких жидкостей: глицерина, минеральных масел, нефти, мазута. Он наблюдается в тонких капиллярных трубках: при фильтрации воды в порах грунта и движении крови в кровеносных сосудах.

Турбулентным называется хаотичное, крайне нерегулярное движение жидкости. Оно сопровождается активным поперечным перемешиванием, пульсациями скорости и давления. Примерами турбулентного режима движения является течение воды в реках и каналах, системах отопления и водоснабжения, центробежных насосах и турбинах. Турбулентный режим наблюдается в трубах, по которым движутся бензин, керосин, спирты, кислоты и другие маловязкие жидкости.

Первые систематические опыты по определению режимов движения жидкости осуществил английский физик Осборн Рейнольдс.

Количественная оценка режима движения жидкости производится с помощью числа Рейнольдса.Число, или критерий Рейнольдса для круглоцилиндрических труб определяется по формуле

Re = vd/,

где Re –критерий Рейнольдса,

v – средняя по сечению скорость,

d – диаметр трубы,

- коэффициент кинематической вязкости.

Число Рейнольдса характеризует соотношение сил инерции и вязкости в потоке. Число Рейнольдса, соответствующее переходу от турбулентного режима к ламинарному, называется нижним критическим числом Рейнольдса и обозначается Re_кр.н.. В круглых трубах Re_кр.н. = 2000-3000. Число Рейнольдса, соответствующее переходу от ламинарного движения к турбулентному называется верхним критическим числом Рейнольдса Re_кр.в.. Верхнее критическое число Рейнольдса изменяется в широком диапазоне Re_кр.в.Исключая случайные возмущения, в лабораторных условиях удавалось сохранить ламинарный режим при числах Рейнольдса Re >13800. В диапазоне Re_кр.н.< Re < Re_кр.в. в зависимости от условий течение жидкости может быть ламинарным или турбулентным. Однако ламинарный режим в этой области крайне неустойчив и легко переходит в турбулентный.

Для практических расчётов круглых напорных труб можно полагать, что при значениях Re<2300 – режим ламинарный, а при Re>2300 – режим турбулентный.

Для потоков произвольного поперечного сечения критерий Рейнольдса определяется по формуле

Re=vR/,

где R – гидравлический радиус.

В задачах внешнего обтекания R – характерный линейный размер обтекаемого тела.

Цель работы

1. Определить режимы движения жидкости методом визуализации картин течения на установке Рейнольдса.

2. Определить режим движения по значениям критерия Рейнольдса.

Описание лабораторной установки и опытов Рейнольдса

Схема лабораторной установки (рис.1) включает: 1-напорный бак, в котором уровень воды поддерживается на постоянной высоте; 2-вентиль; 3- стеклянный трубопровод с внутренним диаметром d=25мм; 4- баллон, наполненный трифенилметановым красителем (фуксином), плотность которого близка плотности воды; 5- тонкая трубка с зажимом; 6-вентиль; 7- мерный бак с водомерным стеклом 8 для измерения расхода жидкости; 9-сливной кран.

Сущность классических опытов Рейнольдса заключается в следующем.

В трубопроводе 3 (рис.1) устанавливают минимальную среднюю по сечению скорость v, меньшую нижней критической скорости v_кр.н., соответствующей Re_кр.н.. Одновременно приоткрывают зажим на трубке 5, направляя фуксин из баллона 4 в трубопровод 3. Краска начинает поступать в трубопровод 3 в виде тонкой резко очерченной прямолинейной струйки. Она не смешивается с основной массой жидкости и производит впечатление натянутой струны. Такая визуальная картина характеризует стабилизированный ламинарный режим.

	Подкрасив всё живое сечение фуксином, можно наблюдать параболический профиль скоростей в поперечном сечении потока: на оси скорость достигает максимальной величины umax, у стенок она снижается до нуля в соответствии с гипотезой прилипания (рис.2).
Рис. 2

Производя подробное измерение профиля скорости, можно убедиться, что он строго следует закону Стокса

	u/umax= 1 – (r/ro)^2,
где	u – местная скорость,
	ro – радиус трубы,
	r – текущий радиус.

При стабилизированном ламинарном режиме движения средняя по сечению скорость составляет половину максимальной v= u_max/2.

Для того, чтобы осуществить переход от ламинарного режима к турбулентному, необходимо увеличить среднюю по сечению скорость v. Возрастание скорости достигается увеличением степени открытия вентиля 6 (рис.1) и сопровождается изменением визуальной картины течения: вначале окрашенная прямолинейная струйка приобретает волнообразное очертание, затем по мере дальнейшего медленного открытия вентиля путь струйки становится всё более извилистым, хотя она всё ещё выделяется в массе жидкости. При продолжении увеличения скорости струйка теряет отчётливую форму, разрушается, и краска полностью смешивается с жидкостью. В жидкости возникают пульсации скорости и давления, происходит активное поперечное перемешивание. Наблюдаемые качественные картины движения соответствуют переходу ламинарного режима в турбулентный. Критическая точка перехода в этом случае отвечает моменту превышения средней скорости над её критическим значением: v>v_кр. (следовательно, Re >Re_кр.).

Опыты показывают, что обратный переход (от турбулентного режима к ламинарному) происходит при более низких значениях скорости в трубе, чем при прямом переходе, поэтому Re_кр.н.< Re_кр.в.. Принято полагать, что при Re< Re_кр.н. режим всегда ламинарный, а при Re >Re_кр.в. режим всегда турбулентный.