Исследование режимов движения жидкости

В 1883 г. английский физик О. Рейнольдс в результате своих экспериментальных исследований подтвердил существование двух режимов движения жидкости: ламинарного и турбулентного.

При ламинарном режиме поток представляет собой совокупность отдельных параллельных струек (или слоев), не пересекающихся между собой; для ламинарного режима характерно отсутствие перемешивания жидкости.

а) б)

Рис. 4

Если в ламинарный поток ввести струю краски, то в нем возникнет резко очерченная окрашенная струйка (рисунок 4 а), а остальная масса движущейся жидкости остается неокрашенной, так как внутри потока нет перемешивания.

При турбулентном режиме движения параллельно - струйчатая структура потока нарушается, частицы жидкости движутся по весьма сложным траекториям; введенная в поток краска перемешивается с жидкостью (рисунок 4 б).

Режим течения характеризуется числом Рейнольдса:

, (8)

где V – средняя скорость; d – диаметр трубы; ν – кинематический коэффициент вязкости.

Если в трубопроводе увеличивать (например, открывая регулировочный кран) скорость V от нуля, то вначале будет наблюдаться ламинарный режим. При некоторой скорости течения V, называемой верхней критической и обозначаемой V_{кр.в ,} происходит переход ламинарного режима в турбулентный.

Число Рейнольдса, при котором происходит смена ламинарного режима на турбулентный, называется верхним критическим числом Рейнольдса и обозначается Rе_{кр.в .} Если от развитого турбулентного режима путем уменьшения скорости течения в трубе идти к ламинарному, то переход произойдет при той же скорости или меньшей, чем V_{кр.в .} Эта скорость называется нижней критической скоростью и обозначается V_кр.н. Ей соответствует нижнее критическое число Рейнольдса Rе_{кр.н .}.

Для круглой трубы Rе_{кр.н .}= 2300, оно является устойчивой величиной и используется в гидравлических расчетах при определении режима движения жидкости.

Если Rе < Rе_кр.н, то поток ламинарный, если Rе ≥ Rе_кр.н, поток турбулентный.

Для практических приложений важно, что критические числа Рейнольдса не зависят от рода жидкости и диаметра трубы.

 

Цель работы

Путем визуальных наблюдений ознакомиться с характером движения жидкости при ламинарном и турбулентном режимах, определить из опыта значение числа Рейнольдса для наблюдаемого режима. Найти значение Rе_кр.н как критерия режима движения.

 

Описание лабораторной установки

 

Установка Рейнольдса для исследования режимов движения жидкости представлена на рисунке 5. Сосуд А заполняется жидкостью, в нижней его

 

Рис. 5

 

части присоединена стеклянная трубка 1 с краном 2, которым регулируется скорость течения в трубке. Над сосудом А расположен сосуд Б с раствором красителя. От сосуда Б отходит трубка 3 с краном 4. Конец трубки 3 заведен в стеклянную трубку 1. Для пополнения сосуда А служит трубка 5 с запорным устройством 6.

В зависимости от степени открытия крана 2 в трубе меняются расход и средняя скорость. Расход жидкости определяется объемным способом при помощи мерной емкости. Для визуального наблюдения структуры потока из бака Б поступает краситель через тонкую трубку 3.

 

 

Порядок выполнения работы

1. Измеряется температура воды, и определяется величина кинематического коэффициента вязкости ν.

2. Краном 2 устанавливается ламинарный режим движения жидкости.

3. Измеряется время наполнения контрольного объема W.

4. Краном 2 устанавливается турбулентный режим и выполняется п. 3.

Исследовательское задание (дается преподавателем):

1) определить Rе_кр.н; 2) определить Rе_кр.в для данной установки.

Для обоих исследовательских заданий методику проведения опытов составить самостоятельно и объяснить полученные результаты.

При решении большинства технических задач встречается, в основном, турбулентный режим течения, например, в водопроводных трубах, в системах канализации, в открытых каналах, реках и т.д. Ламинарный режим имеет место в пленочных теплообменниках при стекании конденсатной пленки под действием силы тяжести, в трубчатых теплообменниках при очень малых скоростях движения воды в трубах, при течении по капиллярам, при движении очень вязких жидкостей (нефти, масел) и т.д.