Контрольные вопросы к разделу «общие положения»
1. Что называется расходом?
2. Какую размерность имеют члены уравнения Бернулли?
3. Какое движение называется установившимся?
4. В чем состоит объемный способ определения расхода?
5. Как изменяется кинематический коэффициент вязкости с увеличением температуры?
6. Указать размерность расхода и его наименование в системе СИ.
7. Как изменяется кинематический коэффициент вязкости при понижении температуры?
8. Указать размерность средней скорости потока.
9. Что называется жидкостью?
10. Что называется плотностью?
11. По каким признакам установившееся движение жидкости отличается от неустановившегося, равномерное от неравномерного, напорное от безнапорного?
Задание 1. Измерить расход воды в бытовом водопроводе при полном открытии крана.
Лабораторная работа 1 исследование режимов движения жидкости
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.
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. 3
Если в ламинарный поток ввести струю краски, то в нем возникнет резко очерченная окрашенная струйка (рис. 3а), 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 (рис. 3б).
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, диаметра трубы и шероховатости ее стенок.
Вода из бака 1 (рис. 4) поступает в стеклянную трубу 2 диаметром d и через регулировочный кран 3 сливается в нижнюю емкость.
В зависимости от степени открытия крана 3 в трубе меняются расход и средняя скорость. Расход жидкости определяется объемным способом при помощи мерной емкости. Для визуального наблюдения структуры потока из бака 4 поступает краситель через тонкую трубку 5.
ОПИСАНИЕ ЛАБОРАТОРНОЙ УСТАНОВКИ
4
1
5
2
3
Рис. 4
ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ
1. Измеряется температура воды, и определяется величина кинематического коэффициента вязкости ν.
2. Краном 3 устанавливается ламинарный режим движения жидкости.
3. Измеряется время наполнения контрольного объема W.
4. Краном 3 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.