5.5 Задание для выполнения работы

1. Создать в канале 4 ламинарный режим движения жидкости. Для этого при заполненном водой баке 1 поставить устройство баком 2 на стол (см. рис. 5.1, а). Наблюдать структуру потока.

2. Повернуть устройство в вертикальной плоскости по часовой стрелке на 180 ° (см. рис. 5.1, б). Наблюдать турбулентный режим течения в канале 5.

3. При заполненном водой баке 2 поставить устройство так, чтобы канал 5 (с решеткой) занял нижнее горизонтальное положение (см. рис. 5.1, в). Наблюдать в канале процесс перехода от турбулентного режима движения к ламинарному. Обратить внимание, что решетка приводит к турбулизации потока за ней.

4. При заполненном водой баке 2 поставить устройство так, чтобы канал 4 (с щелью) занял нижнее горизонтальное положение (см. рис. 5.1, г). Наблюдать за структурой потока в баке 2 при внезапном сужении, внезапном расширении в канале за щелью и при выходе потока из канала в бак 1. Обратить внимание на циркуляционные (вальцовые) зоны, транзитную струю и связь скоростей с площадями сечений каналов.

5. При заполненном баке 1 наблюдать структуру течения при обтекании перегородки 3 (см. рис. 5.1, д).

6.1 Сделать зарисовку структуры потоков для случаев, указанных в табл. 5.1.

Таблица 5.1

Ламинарный режим	Турбулентный режим	Расширение потока	Обтекание стенки

5.6 Контрольные вопросы

1. Чем отличается ламинарный режим от турбулентного?

2. В чем различие траекторий движения частиц и линий тока?

3. Объясните понятие «транзитная струя»?

4. Чем обусловлено образование вальцовых зон?

Лабораторная работа 6. Ламинарный и турбулентный режим движения жидкости

6.1 Цель работы

По движению подкрашенной струйки в прозрачной стеклянной трубе определить характер режима. По данным опытов вычислить значения Re и по ним установить границы устойчивых ламинарного и турбулентного режимов движения. Построить график зависимости числа Re от средней скорости потока (при постоянных d и ).

6.2Задачи работы

определить расход воды в трубе;

определить скорость движения воды в трубе;

найти кинематический коэффициент вязкости и число Рейнольдса;

проанализировать зависимости Re от (при постоянных d и ).

6.3 Краткие теоретические сведения

Существует два устойчивых режима движения жидкости – ламинарное и турбулентное, которые резко отличаются по своей структуре.

При ламинарном движении жидкости течет слоями не перемешиваясь. Поток представляется как бы состоящим из отдельных струек. Потери энергии (напора) при ламинарном течении пропорциональны скорости в первой степени.

Для случая турбулентного движения струйчатость потока нарушается. Траектории частиц представляют собой сложные кривые. В любой точке потока скорость каждое мгновенье меняется, отклоняясь в ту или другую сторону от некоторого среднего значения. Потери энергии при турбулентном течении резко возрастают и становятся пропорциональными скорости в квадрате.

Впервые мысль о существовании двух режимов движения жидкости высказал Д. И. Менделеев в 1880 г., а в 1883 г. английский физик Осборн Рейнольдс опубликовал результаты своих экспериментальных исследований и дал ряд зависимостей, имеющих большое значение в гидравлике.

Характер движения жидкости можно наблюдать, если пропустить ее по прозрачной трубе, подкрасив центральную струйку потока раствором краски, имеющей удельный вес, близкий к удельному весу протекающей жидкости.

При медленном течении подкрашенная струйка четко выделяется среди основной массы жидкости в виде продольной нити. Следовательно, все частицы жидкости движутся параллельно друг другу, не смешиваясь по всей длине трубы (рис. 6.1). Этот вид течения жидкости называется ламинарным или параллельно устойчивым.

Если скорость течения жидкости в трубе постоянно увеличивать, то при достижении некоторой скорости произойдет изменение характера течения подкрашенной струйки, которое из прямолинейного станет волнистым. Это свидетельствует о начале перехода к другому виду движения жидкости (переходная зона).

При дальнейшем увеличении скорости на отдельных участках подкрашенной струйки появляются разрывы, струйка теряет свою отчетливую форму, наконец, при каком-то значении скорости она полностью разрывается, целиком размываясь жидкостью.

Такой вид движения, характеризующий полным перемешиванием струй, называется турбулентным.

На режим движения жидкости влияют, кроме величины наблюдаемой скорости, ее физические свойства (вязкость, плотность) и поперечные размеры потока. Для характеристики режима движения жидкости удобно принимать безразмерную величину, которая называется числом Рейнольдса:

где – плотность жидкости; – средняя скорость течения жидкости; – линейный поперечный размер потока; – динамический коэффициент вязкости. Под величиной обычно подразумевают диаметр трубопровода d, гидравлический радиус или глубину открытого потока .

В соответствии с этим число Рейнольдса выражается в случае напорного движения в трубопроводах круглого сечения или в случае безнапорного движения в открытых руслах формулой:

Рисунок 6.1 – Схема течения жидкости при различных числах Рейнольдса

,

где – кинетический коэффициент вязкости, который с величинами и связан зависимостью;

.

Вязкость жидкости зависит от температуры: с увеличением температуры коэффициент быстро уменьшается.

Ниже приведены численные значения кинематического коэффициента вязкости для воды при различных температурах (табл. 6.2).

Таблица 6.2

Значения кинематического коэффициента вязкости для воды

Температура, Т ^0С	Величина		Температура, Т ^0С	Величина
	см^2/с	м^2/с		см^2/с	м^2/с
0 5 6 7 8 9 10	0,0179 0,0152 0,0147 0,0143 0,0139 0,0135 0,0131	1,79∙10^-6 1,52∙10^-6 1,47∙10^-6 1,43∙10^-6 1,39∙10^-6 1,35∙10^-6 1,31∙10^-6	11 12 13 14 15 20 25	0,0127 0,0124 0,0121 0,0118 0,0115 0,0101 0,009	1,27∙10^-6 1,24∙10^-6 1,21∙10^-6 1,18∙10^-6 1,15∙10^-6 1,01∙10^-6 0,9∙10^-6

При малых числах Рейнольдса имеет место ламинарный режим движения. С увеличением числа Райнольдса происходит нарушение ламинарного режима движения и возникает новый режим движения – турбулентный.

Опытами установлено, что взаимные переходы режимов движения не являются полностью обратимыми процессами. Так, переход ламинарного режима в турбулентный происходит при значительно больших; числах Рейнольдса, чем переход от турбулентного режима в ламинарный.

В соответствии с этим существуют два критических значения числа Рейнольдса, выраженные через диаметры труб: верхнее критическое = 13800 и нижнее критическое = 2320.

Нижним и верхним, критическими числами Рейнольдса ограничивается так называемая переходная зона, в пределах которой возможны оба режима давления.

При практических расчетах обычно исходят только из одного критического значения числа Рейнольдса, принимая его за = 2320, считая, что при < 2320 существует ламинарный, а при > 2320 – турбулентный режимы движения. В переходной зоне принимают турбулентный режим движения, так как ламинарный режим там неустойчив.

Определение режима движения жидкости в гидравлических расчётах имеет большое значение, так как потери напора в первую очередь зависят от режима движения жидкости.

В заключение отметим, что ламинарный режим встречается при движении воды в порах мелкозернистого грунта (фильтрационные потоки), в трубопроводах для очень вязких жидкостей, в линиях с очень малыми диаметрами труб (порядка нескольких миллиметров) и при очень малых скоростях потока в маслопроводах машин, нагревательных и охлаждающих линиях химической аппаратуры, питательных линиях медленно действующих гидравлических прессов, линиях гидроуправления станками и машинами и т. д.