Лабораторная работа №1
Цель работы: ознакомление с различными режимами движения жидкости, определение критической скорости движения жидкости расчетным путем и по графику Re – ω.
Теоретические основы работы
В гидравлике принято объединять жидкости, газы, пары под единым наименованием – жидкости.
Режим движения жидкости. Движение жидкости является установившимся, или стационарным, если скорость частиц потока, а также все другие влияющие на его движение факторы (плотность, температура, давление и др.), не изменяются во времени в каждой фиксированной точке пространства, через которую проходит жидкость. В этих условиях для каждого сечения потока расходы жидкости постоянны во времени.
Различают ламинарный и турбулентный режимы течения жидкости. движение жидкости, при котором все частицы жидкости движутся по параллельным траекториям, называют струйчатым или ламинарным.
При ламинарном движении распределение скоростей в сечении трубопровода представляет собой параболу (рис. 1.1). Средняя скорость жидкости при ламинарном движении равна половине скорости по оси трубы (максимальной):
(1.1)
Неупорядоченное движение, при котором отдельные частицы жидкости движутся по замкнутым, хаотическим траекториям, в то время как вся масса жидкости в целом перемещается в одном направлении называется турбулентным. При турбулентном движении из-за хаотического движения частиц происходит выравнивание скоростей в основной массе потока, и их распределение по сечению трубы характеризуется кривой, отличающейся по форме от параболы (рис. 1.2). Опыт показывает, что средняя скорость ωср при турбулентном движении не равна половине максимальной, а значительно больше:
(1.2)
Опыт показывает, что переход от ламинарного течения к турбулентному происходит тем легче, чем больше массовая скорость жидкости ρ·ω и диаметр трубы d и чем меньше вязкость μ.
Рейнольдс установил, что указанные величины можно объединить в безразмерный комплекс 
, численное значение которого позволяет судить о режиме движения жидкости. Этот комплекс носит название критерия Рейнольдса (Re):
(1.3)
Критерий Рейнольдса является мерой соотношения между силами вязкости и инерции в движущемся потоке.
Переход от ламинарного движения жидкости к турбулентному характеризуется критическим значением Reкр. Так, при движении жидкости по прямым гладким трубам Reкр = 2320. При Re < 2320 течение является ламинарным, поэтому данную область называют областью устойчивого ламинарного течения. При Re > 2320 чаще всего наблюдается турбулентный характер движения. однако при 2320 < Re < 10000 режим течения неустойчивый турбулентный или переходный (смешанный). При Re > 10000 турбулентное движение становится устойчивым (развитым).
Последовательность проведения работы
На рис. 1.3 представлена схема лабораторной установки.
1 – резервуар; 2 – труба; 3 – кран; 4 – бачок с темной краской; 5 – кран; 6 – капилляр
Рис. 1.3 - Схема лабораторной установки
К сосуду (1), в котором поддерживается постоянный уровень воды, присоединена горизонтальная трубка (2). В эту трубку по ее оси через капиллярную трубку (6) вводится тонкая струйка окрашенной воды (индикатор). При небольшой скорости воды в трубе (2) окрашенная струйка вытягивается в горизонтальную нить, которая не размываясь достигает конца трубы. Это свидетельствует о том, что пути частиц прямолинейны и параллельны друг другу. Это ламинарный режим. Если скорость воды в трубе (2) увеличить, то окрашенная струйка приобретает волнообразное движение. Это объясняется тем, что отдельные частицы движутся не параллельно друг другу, а перемешиваются в поперечном направлении. Это – переходный режим.
При дальнейшем увеличении скорости жидкости в трубе (2) окрашенная струйка смешивается с основной массой жидкости и окрашивает ее всю. Значит, частицы движутся по запутанным, хаотическим траекториям. Наблюдается турбулентный режим.
Устанавливая в трубе (2) различные расходы жидкости (при различных скоростях) наблюдают визуальную картину режима движения жидкости.
Обработка опытных данных
Полученные экспериментальные и расчетные данные записывают в отчетную таблицу. Необходимые для расчетов данные о физических свойствах воды (μ, ρ) берут из таблицы 1 – см. приложение А.
По результатам эксперимента строят график (на миллиметровой бумаге) зависимости Re = f(ω) и по графику определяют ωкр – критическую скорость движения воды в трубе при Re = 2320.
Таблица 1.1 - Отчетная таблица
| Показатели | Прямой опыт | Обратный опыт | ||||||
| Объем вытекающей воды V, м3 | ||||||||
| Время истечения τ, с | ||||||||
| Секундный расход воды Vc = V/τ, м3/с | ||||||||
| Площадь сечения потока F = ¼ π·d2, м2 | ||||||||
Средняя скорость движения воды  , м/с
| ||||||||
Число Рейнольдса 
| ||||||||
| Температура воды, °С | ||||||||
| Визуальные наблюдения режима потока |
Контрольные вопросы
1. Основные физические свойства жидкостей: плотность, удельный вес, давление, вязкость.
2. Скорость и расход жидкости.
3. Гидравлический радиус и эквивалентный диаметр.
4. Режимы движения жидкости.
5. Распределение скоростей при ламинарном и турбулентном движении.
Литература
1. А.Г. Касаткин Основные процессы и аппараты химической технологии. М., «Химия», 1973.
2. Н.И. Гальперин Основные процессы и аппараты химической технологии. Книга первая. М., «Химия», 1981.
3. К.Ф. Павлов, П.Г. Романов, А.А. Носков Примеры и задачи по курсу процессов и аппаратов химической технологии. Л., «Химия», 1981.
ПРИЛОЖЕНИЕ А
Таблица 1 - Физические свойства воды
| Температура | ||||||
| 20°С | 40°С | 60°С | 80°С | 100°С | 120°С | |
| Плотность ρ, кг/м3 | ||||||
| Вязкость μ, Па·с | 1,005 | 0,656 | 0,4688 | 0,3565 | 0,2838 | 0,180 |
| Теплопроводность λ, Вт/(м·К) | 0,5931 | 0,6396 | 0,6629 | 0,6745 | - | - |
Таблица 2 - Физические свойства воздуха
| Плотность ρ, кг/м3 | Динамическая вязкость μ, Па·с | Кинематическая вязкость ν, м2/с | Теплоемкость с, Дж/(кг·К) | Теплопроводность λ, Вт/(м·К) |
| 1,293 | 17,3 | 213,4 | 1,006 | 0,0261 |
