Определение режимов движения жидкости

Движение жидкости, в зависимости от скорости, может проявляться в двух различных по структуре режимах - ламинарном (струйчатом) и турбулентном (беспорядочном).       

Рассмотрим особенности этих режимов с качественной и количественной стороны.

Для исследования режимов движения жидкости используют опытную установку, предложенной английским ученым Рейнольдсом (рис. 1.7).

Рис. 1.7

При малых скоростях движения воды (рис. 1.7) - жидкость движется в виде струек, параллельных образующей трубы (а). Это указывает на отсутствие обмена и перемешивания частиц жидкости. Движение струйчатое. Такой режим движения называется ламинарным ( в переводе - слоистое).

При увеличении скорости течения воды струйки начинает вибрировать принимают волнообразные очертания (б), а после достижения определенной – «критической» скорости - струйка мгновенно смешивается с остальными частицами потока (в). Наступает беспорядочный режим движения жидкости, с сильным перемешиванием частиц, который называется турбулентным.

Турбулентный режим характеризуется пульсацией скоростей и по величине и по направлению (пульсация обуславливается шероховатостью стенок и вязкостью жидкости).

Ламинарный режим протекает без пульсации скоростей.

Смена режимов происходит вследствие изменения скорости движения жидкости в трубе. Однако существование того или иного режима обусловлено, как установил Рейнольдс, не только величиной скорости, но и плотностью жидкости r, вязкостью m  (зависящей от температуры) и характерными размерами потока. Переход одного режима в другой происходит при определенном значении некоторого безразмерного параметра (так называемого критического числа Рейнольдса) Re

,

где  - кинематический коэффициент вязкости м²/c;                                        

    m - динамический коэффициент вязкости кгс.с/м²;

    r - плотность жидкости, кг.с² /м⁴;

    d - диаметр трубы, м (размерность в системе мкгcс).

Число Re является безразмерным:

 .

Часто в число Рейнольдса вводят гидравлический радиус, являющийся обобщенной характеристикой размера и формы живого сечения потока. Тогда оно имеет следующий вид:

.

По опытным данным Рейнольдеа устойчивый ламинарный режим наблюдается (в рассматриваемом им случае напорного движения в трубах), когда число Re_d < 2300 (Re_R < 575). Когда это число больше 2300 (575) - наблюдается турбулентный режим. Для открытых потоков Re_Rкр = 300.

Ламинарный режим встречается в природе в основном при движении грунтовых вод (в мелкозернистых грунтах). Турбулентный режим имеет место в трубах, каналах, реках, гидротехнических сооружениях и т.д.