Основні теоретичні положення. 1. Ознайомлення з принципом визначення режимів руху рідини у трубопроводі.

ЛЬВІВ-2013

МЕТА РОБОТИ

 

1. Ознайомлення з принципом визначення режимів руху рідини у трубопроводі.

2. Експериментальне дослідження режимів руху рідини та визначення критерію Рейнольдса для відповідного режиму.

ОСНОВНІ ТЕОРЕТИЧНІ ПОЛОЖЕННЯ

 

При протіканні рідини (газу) у трубопроводах чи каналах можуть спостерігатись два різних режими руху: ламінарний і турбулентний.

Ламінарний режим – це такий режим руху, при якому як загальний потік рідини, так і будь-яка частинка потоку рухаються поступально в одному напрямку.

Якщо швидкість рідини в трубопроводі збільшити вище певної границі, то струмини набувають хвильового руху (перехідний режим), при подальшому збільшенні швидкості вище певної границі наступає турбулізація потоку.Окремі частини рідини рухаються вже рухаються не паралельно одна до другої і до осі труби, а перемішуються в поперечному напрямку, потік характеризується пульсацією швидкостей і поперечним перемішуванням.

Турбулентний режим – це такий режим руху, при якому напрямок руху окремих частинок рідини змінюється в часі і не завжди збігається з напрямком руху загального потоку, внаслідок чого створюються завихрення і перемішування потоку.

Режими руху залежать від швидкості потоку, в'язкості та густини субстанції (рідини чи газу), а також геометрії і площі поперечного перерізу потоку.

Швидкість, яка зумовлює зміну режиму руху, називається критичною.

Розрізняють дві критичні швидкості: нижню та верхню.

Швидкість, при якій турбулентний рух переходить у ламінарний, називають нижньою критичною швидкістю, і, навпаки, - швидкість, при якій ламінарний рух переходить у турбулентний, називають верхньою критичною швидкістю. Режим руху рідини можна встановити при порівнянні середньої швидкості руху потоку з критичними швидкостями.

Встановлено, що перехід від ламінарного до турбулентного режиму руху проходить швидше при збільшенні питомої масової швидкості потоку, збільшенні еквівалентного діаметра трубопроводу та зменшенні коефіцієнта динамічної в'язкості рідини.

Рейнольдс встановив, що вказані величини можна об'єднати в безрозмірний комплекс, числове значення якого дозволяє встановлювати режими руху рідини і носить назву критерія Рейнольдса (Re), який є мірою співвідношення між силами інерції рухомого потоку і його в'язкістю:

де: d - діаметр трубопроводу, м; ω - швидкість руху рідини, м/с; ρ - густина рідини, кг/м³; μ - динамічний коефіцієнт в’язкості, Па·с.

якщо Re<2320 – рух рідини в прямій гладкій трубі ламінарний;

якщо 2320<Re<10000 – перехідний режим руху;

якщо Re>10000 – турбулентний режим руху.

 

ОПИС ЛАБОРАТОРНОЇ УСТАНОВКИ

Лабораторна установка (рис. 1) складається з напірного бачка 1, прозорої трубки 2, мірного бачка 3, мірної скляної грубки 4, колектора 5 для відведення відпрацьованої води, вентиля 6 для спуску води з мірного бачка, вентиля 7 для регулювання швидкості потоку в прозорому трубопроводі, вентиля 8 для подачі води в напірний бак, переливного патрубка 9, крана 10 для регулювання подачі індикатора (барвника), бачка 11 з барвником.

Рис. Схема установки для дослідження режимів руху рідини

МЕТОДИКА ПРОВЕДЕННЯ ДОСЛІДІВ

Рух рідини у скляній трубці 2 спостерігають візуально, а режим руху рідини оцінюють за характером переміщення струминки барвника, що подається в центр потоку.

При ламінарному режимі струминка барвника рухається прямолінійно в центрі потоку, не змішуючись із загальною масою потоку. В перехідному режимі струминка барвника набуває хвилястого руху, виникають завихрення і часткове перемішування барвника. При турбулент­ному режимі струминка барвника активно турбулізується і змішується з загальною масою потоку рідини.

 

ПОСЛІДОВНІСТЬ ВИКОНАННЯ ДОСЛІДУ

1. Увімкнути освітлення труби 2 для візуального спостереження, встановивши штепсель в електричну розетку.

2. Наповнити водою напірний бачок 1. Для цього потрібно відкрити вентиль 8 поворотом маховичка проти годинникової стрілки. В напірному бачку рівень води підтримується постійним завдяки переливному патрубку 9.

3. Перевірити візуально наявність індикатора (барвника) в бачку, в разі потреби – заповнити бачок барвником.

4. Відкрити вентиль 6 поворотом маховичка проти годинникової стрілки.

5. Встановити потік води у трубці 2. Для цього потрібно відкрити вентиль 7.

6. Подати тонку струминку барвника у трубку 2, відкриваючи повільно кран 10.

7. Регулюючи вентиль 7, встановити бажаний режим руху потоку, оцінюючи його візуально за характером руху барвника.

8. Для визначення витрати рідини у трубці 2:

9. Закрити вентиль 6 – вода наповнюватиме мірний бачок 3. Визначити за допомогою секундоміра час переміщення рівня води у мірній трубці 4 між двома фіксованими мітками. Заміри занести у таблицю 1.

10.Для спорожнення мірного бачка відкрити вентиль 6.

11. Знову закрити вентиль 6.

12. Змінюючи режими руху рідини у трубці 2 поворотом вентиля 7, повторити досліди згідно з п. 8. Дослідити ламінарний, турбулентний режими руху потоків і область нестійких режимів.

 

Перевірка режимів руху рідини (води) за критерієм Рейнольдса

Внутрішній діаметр трубки по якій рухається рідина d=16мм, густина води , динамічний коефі­цієнт в'язкості води для температур в межах від 10 до 30 °С наведено в табл. 1. (температуру води t, °С під час досліду заміряють термометром).

Таблиця І

Динамічний коефіцієнт в'язкості води

Температура, 0С	Динамічний коефіцієнт в'язкості, мПа.с	Температура, 0С	Динамічний коефіцієнт в'язкості, мПа.с
	1,308	20,2	1,000
	1,271		0,9810
	1,236		0,9579
ІЗ	1,203		0,9358
	1,171		0,9142
	1,140		0,8937
	1,111		0,8737
	1,083		0,8545
	1,055		0,8360
	1,030		0,8180
	1,005		0,8007

Користуючись графіком (рис. 2), визначити об'єм води V у бачку 3 між нижньою і верхньою фіксованими мітками:

де та - об’єм води в бачку 3 за нижньою і верхньою мітками.

N, под.

Рис. 2. Графік для визначення об’єму води у мірному бачку

Об’ємна витрата води становить

Швидкість потоку води (максимальна) в трубопроводі:

де – площа поперечного перерізу трубки, м²:

Для розрахунку критерію Рейнольдса використовують середню швидкість потоку, оскільки в різних точках поперечного перерізу потоку швидкість руху частин є неоднаковою (рис. 2).

Рис.2. Епюри розподілу швидкостей при різних режимах руху: