Данные измерений режимов движения жидкости

Руководство к выполнению лабораторных работ

Лабораторная работа № 1.1

«Изучение режимов движения жидкости»

                  

Теоретическое обоснование.

    При протекании жидкости по трубам и каналам могут иметь место два различных по своему характеру режима течения: ламинарный и турбулентный.

Ламинарный - такой режим, при котором поток жидкости движется отдельными струйками или слоями, и траектории отдельных частиц жидкости не пресекаются, линии тока совпадают с траекториями частиц. Ламинарный режим наблюдается преимущественно при течении жидкости с малыми скоростями, или при течении жидкости повышенной вязкости (масло, мазут), а также при движении грунтовых вод.

    Турбулентный - такой режим, при котором струйки жидкости перемешиваются, и траектории отдельных частиц представляют собой сложные линии, пересекающиеся между собой. В большинстве случаев инженерной практики при течении воды имеет место турбулентный режим течения.

    Наличие ламинарного или турбулентного режима зависит от скорости течения жидкости, вязкости жидкости и от геометрических размеров живого сечения потока, а также от шероховатости стенок. Опыты О. Рейнольдса и других ученых показали, что при постепенном увеличении скорости течение ламинарным режим сохраняется лишь до какой-то определенной скорости, после которой наступает турбулентный режим. При проведении опытов в обратном порядке, то есть при уменьшении скорости, турбулентный режим сохраняется также до какой-то определенной скорости, после чего переходит в ламинарный.

    Режим движения жидкости определяется безразмерным
числом Рейнольдса, которое для напорной трубы круглого се­чения имеет вид

Re = v d / n,

где v- средняя скорость течения жидкости; d - линейный размер живого сечения потока (для трубы - диаметр трубы); n- кинематический коэффициент вязкости жидкости.

Критерий Рейнольдса выражает отношение сил инерции частиц жидкости к силам вязкости. Следует ожидать, что при малых числах R_e, когда силы вязкости больше, будет ламинарный характер течения.

Скорость, при которой происходит смена режимом течения, называется критической скоростью. Число Рейнольдса, соответствующее критической скорости, называ­ется критическим и обозначается Re_кр=2320.

    При Re<Re_кр имеет место ламинарный режим течения, при Re>Re_кр - турбулентный; при Re_кр< Re< Re_кр - область переходного режима течения.

Цель работы.

    Цель работы - визуальное наблюдение ламинарного и турбулентного режимов течения воды в стеклянной трубке и экспериментальное определение критериев Рейнольдса, соответствующих указанным режимам движения.

Порядок проведения работы и обработки результатов.

Лабораторная работа проводится на лабораторной гидравлической установке «Переносная гидравлическая лабо­ратория (ПГЛ)». Опыты проводятся на трубке Re. На рис. 1.2.1 приведена гидравлическая схема установки.

Для выполнения работы нужны мензурки объемом W =100 см³ и W = 1000 см³, секундомер и термометр.    

Работа выполняется при постоянном уровне воды в резер­вуаре. Поэтому вначале поворотом рукоятки открыть кран и пустить водопроводную воду в напорный бак. Добиться постоянного уровня воды в баке. Измерить температуру в напорном баке. Наполнить воронку цветной жидкостью.

 

Рис. 1.2.1. Схема установки для определения режимов движения жидкости

 

Затем легким поворотом рукоятки не­много приоткрывается пробковый кран (вода должна литься очень тонкой струйкой, при этом вода начнет протекать по стеклянной трубке с малой скоростью).При малых скоростях движения воды струйка, окрашенная розовым цветом, не будет пере­мешиваться с соседними слоями. Наблюдаемое струйчатое движение подкраски свидетельствует о ламинарном режиме течения. Объемным способом измерить расход воды в стеклянной трубке. Для этого сле­дует измерить объем воды W наполнивший мензурку емкостью 100 см³ за время t = 30 сек.Данные занести в табл. 2.1.

При некотором дальнейшем открытие крана струйка подкраски начнет колебаться, приобретая волнистый характер с местными разрывами. Такое поведение струйки соответствует переходу ламинарного режима в турбулентный. Дальнейшее открытие крана 26 приводит к резкому изменению характера течения: струйка подкраски полностью размывается - в трубке устанавливается турбулентный режим течения.

При этом режиме также произвести измерения объема воды W наполнивший мензурку емкостью 1000 см³ за время t = 10 сек.Данные занести в табл. 1.2.1.

    По измеренной температуре воды в напорном баке определить кинематический коэффициент вязкости воды по таблице 6, приведенной в приложении.

    По измеренному объему воды, поступившей в мерный бак, для каждого опыта подсчитать секундный объемный расход воды в стеклянной трубке Q

и среднюю скорость течения воды v.

    По приведенной выше формуле для каждого опыта подсчитать число Рейнольдса. Значение Re, соответствующее критической скорости течения воды v _кр является критическим числом Рейнольдса. 

   

Таблица 1.2.1

Данные измерений режимов движения жидкости

№№ пп	Измеряемые в расчетные величины	Опыты
		1	2
1	Режим движения по данным визуальных наблюдений
2	Внутренний диаметр трубки d, см
3	Площадь живого сечения трубкиω=π d 2 /4, см2
4	Объем воды в мензурке W, см3
5	Время наполнения мензурки t, с
6	Расход воды Q = W / t, см3/с
7	Средняя скорость воды в трубе V = Q / ω, см/с
8	Температура воды t, ◦ С
9	Кинематический коэффициент вязкости n, см2/с (табл. 1, приложение 1)
10	Число Рейнольдса Re = v d / n,
11	Режим движения, установленный путемсравнения Re с Reкр=2320