Режимы движения жидкости
В потоках жидкостей и газов принято различать режимы движения. Движение, при котором линии тока прямолинейны и устойчивы, называются ламинарными, в таких потоках не происходит пульсации местных скоростей. Потоки, в которых происходит перенос вещества, как в продольном, так и в поперечном сечениях, называют турбулентными, такие потоки сопровождаются вихреобразованиями.
Пределы существования ламинарного и турбулентного движения были подтверждены О. Рейнольдсом на экспериментальной установке (рис 8.1). К напорному баку была присоединена стеклянная труба, к которой подводилась окрашенная жидкость из отдельного сосуда.
Скорость движения жидкости регулировалась краном.
Рис 8.1 Экспериментальная установка Рейнольдса
В зависимости от скорости движения жидкости Рейнольдс наблюдал несколько видов движения:
- ламинарное (или слоистое), при котором струйки газа перемещаются параллельно одна другой, не пересекаясь. Характерной особенностью ламинарного движения является параболическое распределение скоростей по сечению потока, обусловленное трением о поверхность прилегающего к ней слоя газа и последующих слоев друг о друга;
- переходное (неустановившееся) движения газов, при котором наряду с ламинарным движением возникали первые вихревые пульсации потока, которые потом пропадали;
- турбулентное (или вихреобразное), при турбулентном режиме в потоке возникает множество вихрей, что приводит к интенсивному перемешиванию газа. Распределение скоростей при этом более равномерно и имеет вид усеченной параболы.
Характер движения зависит от соотношения сил инерции и сил внутреннего трения или вязкости.
Это
соотношение характеризуется безразмерным
комплексом, названным впоследствии
критерием Рейнольдса:
,
где
–
эквивалентный диаметр канала,
.
Для
каналов произвольной формы
,
где
–
площадь сечения;
–
периметр).
Характер движения зависит от соотношения сил инерции и сил внутреннего трения.
Ламинарное течение наблюдается при малых значениях критерия Рейнольдса, а турбулентное при более высоких.
Так,
для случая течения жидкости
в круглых трубах при
поток ламинарный,
при
поток турбулентный. Интервал
соответствует неустановившемуся или
переходному движению.
ОСНОВЫ ТЕОРИИ ГИДРОДИНАМИЧЕСКИХ СОПРОТИВЛЕНИЙ
Движение реальных жидкостей внутри каналов и труб сопровождается уменьшением механической энергии потока из-за действия сил сопротивления различной природы и характеризуется величиной потери давления на рассматриваемом участке потока.
Потери
по длине
,
с учетом формулы Дарси-Вейсбаха можно
выразить:
,
(9.2)
,
(9.3)
где
-
безразмерный параметр, характеризующий
потери на трение по длине и по этой
причине в специальной литературе его
принято называть коэффициентом
гидравлического
трения.
Этот коэффициент
зависит от числа Рейнольдса и безразмерного
параметра
,
называемого относительной шероховатостью.
Абсолютная шероховатость ,
находится по справочной литературе и
зависит от вида материала стенок каналов
и трубопроводов, а также от срока
эксплуатации. Как правило, функциональную
зависимость
от числа Рейнольдса и относительной
шероховатости определяют эмпирическим
или полуэмпирическим путем, но в некоторых
простых случаях, например, при
установившемся ламинарном течении в
гладких трубах коэффициент
может быть получен аналитическим
методом. Из формулы (9.3) следует, что
потери на трение возрастают со средней
скоростью движения жидкости и длиной
участка, и обратно пропорциональны
диаметру трубопровода.
Формула Дарси-Вейсбаха
справедлива для любых режимов течения
как ламинарного, так и турбулентного.
В этом смысле она является универсальной.
Различие состоит лишь в форме функциональной
зависимости
,
которая соответственно отличается для
ламинарного и турбулентного режимов:
- если режим движения
жидкости ламинарный, то коэффициентом
гидравлического трения
можно найти по формуле Пуазейля:
;
(9.4)
- коэффициент , вычисленный для турбулентного течения в гладких круглых трубах по формуле Блазиуса
;
(9.5)
- большая область гидродинамических течений укладываются в формулу Альтшуля, которая распространяется на область переходного и части турбулентного режима.
;
(9.6)