3.3.3 Распределение скоростей по сечению потока

Сравнение кривых на рисунке 3.3 показывает, что при турбулентном движении распределение скоростей (усредненных по времени) в поперечном сечении потока более равномерно, а нарастание скорости у стенок более крутое, чем при ламинарном режиме.

а) б)

1 – ядро потока; 2 – ламинарный слой

Рисунок 3.3 – Профиль скоростей в ламинарном (а)

и турбулентном (б) потоках

При ламинарном режиме движения имеет место параболическое распределение скоростей в сечении трубопровода. При этом средняя скорость жидкости равна половине скорости по оси трубы. Средняя же скорость при турбулентном потоке колеблется в пределах от 0,8 до 0,9 w_max.

Судить о режиме движения жидкости в трубе с любой формой поперечного сечения можно по значению числа Рейнольдса

, (3.1)

где w_ср – осредненная по времени скорость движения жидкости, м/с;

 – коэффициент динамической вязкости, Пас;

 – плотность жидкости, кг/м³;

d_эк – эквивалентный диаметр канала, м.

Число Рейнольдса Re_кр, соответствующее переходу режима из ламинарного в турбулентный, называется критическим.

Численное значение Re_кр зависит от формы поперечного сечения и чистоты внутренней поверхности канала, а также от условий, в которых находится канал. Например, для круглых гладких труб, находящихся в особых лабораторных условиях, когда отсутствуют факторы, способствующие турбулизации потока (толчок, вибрация, удар и т.д.), Re_кр=2320. Поэтому ламинарный режим движения в круглых трубах имеет место, когда Re<2320, турбулентный - при Re>2320. На практике, как правило, имеются условия, способствующие турбулизации потока: пульсация подачи, местные сопротивления, вибрация труб и т.д. Поэтому в большинстве практических случаев значения Rе_кр оказываются несколько, а иной раз и существенно, меньше значений, полученных в обычных лабораторных условиях.

3.4 Оборудование, технические средства и инструменты

Для проведения лабораторной работы необходимы:

– установка для проведения опыта;

– окрашенная жидкость;

– секундомер.

3.5 Описание установки

Основным элементом установки является бак 1 (рисунок 3.4). С ним герметично соединены две горизонтальные трубы с прозрачными стенками круглого 2 и прямоугольного 3 сечений. На концах труб установлены вентили 5, 6, с помощью которых регулируется расход жидкости, протекающей в каждой трубе. Расход можно определить, измерив объем жидкости, протекающей через счетчик 7 за какой-то фиксированный промежуток времени.

Чтобы обеспечить установившееся движение жидкости в трубах, ее уровень в баке поддерживается постоянным за счет сброса излишней жидкости через переливную трубу 4 в канализацию. Для этого расход воды, поступающей в бак, должен немного превышать расход жидкости, вытекающей из бака по трубам.

Для подачи подкрашенной жидкости внутри труб на достаточно большом расстоянии от входа осесимметрично установлены трубки малого диаметра. Жидкость в них подается из сосуда 8 с помощью кранов 9, 10.

1 – бак; 2 – труба круглого сечения; 3 – труба прямоугольного сечения;

4 – труба переливная; 5,6 – вентили; 7 – счетчик объема жидкости;

8 – сосуд с подкрашенной жидкостью; 9,10 – краны

Рисунок 3.4 – Схема лабораторной установки