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 Re, 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 Reкр=2320.
При Re<Reкр имеет место ламинарный режим течения, при Re>Reкр - турбулентный; при Reкр< Re< Reкр - 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 таблице6, 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
