ИССЛЕДОВАНИЕ РЕЖИМОВ ДВИЖЕНИЯ ЖИДКОСТИ
В 1883 г. английский физик О. Рейнольдс в результате своих экспериментальных исследований подтвердил существование двух режимов движения жидкости: ламинарного и турбулентного.
При ламинарном режиме поток представляет собой совокупность отдельных параллельных струек (или слоев), не пересекающихся между собой; для ламинарного режима характерно отсутствие перемешивания жидкости.
а) б)
Рис. 4
Если в ламинарный поток ввести струю краски, то в нем возникнет резко очерченная окрашенная струйка (рисунок 4 а), а остальная масса движущейся жидкости остается неокрашенной, так как внутри потока нет перемешивания.
При турбулентном режиме движения параллельно-струйчатая структура потока нарушается, частицы жидкости движутся по весьма сложным траекториям; введенная в поток краска перемешивается с жидкостью (рисунок 4 б).
Режим течения характеризуется числом Рейнольдса:
, (8)
где V – средняя скорость; d – диаметр трубы; ν – кинематический коэффициент вязкости.
Если в трубопроводе увеличивать (например, открывая регулировочный кран) скорость V от нуля, то вначале будет наблюдаться ламинарный режим. При некоторой скорости течения V, называемой верхней критической и обозначаемой Vкр.в, происходит переход ламинарного режима в турбулентный.
Число Рейнольдса, при котором происходит смена ламинарного режима на турбулентный, называется верхним критическим числом Рейнольдса и обозначается Rекр.в. Если от развитого турбулентного режима путем уменьшения скорости течения в трубе идти к ламинарному, то переход произойдет при той же скорости или меньшей, чем Vкр.в. Эта скорость называется нижней критической скоростью и обозначается Vкр.н. Ей соответствует нижнее критическое число Рейнольдса Rекр.н..
Для круглой трубы Rекр.н.= 2300, оно является устойчивой величиной и используется в гидравлических расчетах при определении режима движения жидкости.
Если Rе < Rекр.н, то поток ламинарный, если Rе ≥ Rекр.н, поток турбулентный.
Для практических приложений важно, что критические числа Рейнольдса не зависят от рода жидкости и диаметра трубы.
Цель работы
Путем визуальных наблюдений ознакомиться с характером движения жидкости при ламинарном и турбулентном режимах, определить из опыта значение числа Рейнольдса для наблюдаемого режима. Найти значение Rекр.н как критерия режима движения.
Описание лабораторной установки
Установка Рейнольдса для исследования режимов движения жидкости представлена на рисунке 5. Сосуд А заполняется жидкостью, в нижней его
Рис. 5
части присоединена стеклянная трубка 1 с краном 2, которым регулируется скорость течения в трубке. Над сосудом А расположен сосуд Б с раствором красителя. От сосуда Б отходит трубка 3 с краном 4. Конец трубки 3 заведен в стеклянную трубку 1. Для пополнения сосуда А служит трубка 5 с запорным устройством 6.
В зависимости от степени открытия крана 2 в трубе меняются расход и средняя скорость. Расход жидкости определяется объемным способом при помощи мерной емкости. Для визуального наблюдения структуры потока из бака Б поступает краситель через тонкую трубку 3.
Порядок выполнения работы
1. Измеряется температура воды, и определяется величина кинематического коэффициента вязкости ν.
2. Краном 2 устанавливается ламинарный режим движения жидкости.
3. Измеряется время наполнения контрольного объема W.
4. Краном 2 устанавливается турбулентный режим и выполняется п. 3.
Исследовательское задание (дается преподавателем):
1) определить Rекр.н; 2) определить Rекр.в для данной установки.
Для обоих исследовательских заданий методику проведения опытов составить самостоятельно и объяснить полученные результаты.
При решении большинства технических задач встречается, в основном, турбулентный режим течения, например, в водопроводных трубах, в системах канализации, в открытых каналах, реках и т.д. Ламинарный режим имеет место в пленочных теплообменниках при стекании конденсатной пленки под действием силы тяжести, в трубчатых теплообменниках при очень малых скоростях движения воды в трубах, при течении по капиллярам, при движении очень вязких жидкостей (нефти, масел) и т.д.