Касательные напряжения. Обобщённый закон Ньютона

Согласно гипотезе, высказанной впервые Ньютоном в 1686 г., а затем экспериментально обоснованной проф. Н.П. Петровым в 1883 г., касательное напряжение в жидкости зависит от её рода и характера течения и при слоистом течении изменяется прямо пропорционально ьак называемому поперечному градиенту скорости. Таким образом

(1.62)

где -коэффициент пропорциональности, получивший название динамической вязкости жидкости;-приращение скорости, соответствующее приращению координаты.

Поперечный градиент скорости определяет изменение скорости, приходящееся на единицу длины в направлении нормали к стенке и, следовательно, характеризует интенсивность сдвига жидкости в данной точке (точнее-это модуль градиента скорости; сам градиент – вектор).

Ламинарный и турбулентный режимы движения жидкости. Критическое число Рейнольдса

Опыты показывают, что возможны два режима или два вида течения жидкостей и газов в трубах: ламинарный и турбулентный.

Ламинарным называется слоистое течение без перемешивания частиц жидкости и без пульсаций скоростей и давления. При таком течении все линии тока определяются формой русла, по которому течёт жидкость. При ламинарном течении жидкости в прямой трубе постоянного течения все линии тока направлены параллельно оси трубы, т.е. прямолинейно; отсутствуют поперечные перемещения жидкости.

Турбулентным называется течение, сопровождающееся интенсивным перемешиванием жидкости и пульсациями скоростей и давлений. ёДвижение отдельных частиц оказывается подобным хаотическому, беспорядочному движению молекул газа. При турбулентном течении векторы скоростей имеют не только осевые, но и нормальные к оси русла составляющие, поэтому наряду с основным продольным перемещением жидкости вдоль русла происходят поперечные перемещения (перемешивание) и вращательное движение отдельных объёмов жидкости. Этим и объясняются пульсации скоростей и давления.

Режим течения данной жидкости изменяется в данной трубе примерно при определённой средней по сечению скорости течения Vкр, которую называют критической. Как показывают опыты, значение этой скорости прямо пропорционально кинематической вязкости и обратно пропорционально диаметруd трубы, т.е.

(1.63)

Входящий в эту формулу безразмерный коэффициент пропорциональности одинаков для всех жидкостей и газов, а также для любых параметров труб. Это означает, что изменение режима течения происходит при определённом соотношении между скоростью, диаметром и вязкостью :

(1.64)

Этот результат согласуется с изложенной выше теорией гидродинамического подобия, и вполне закономерно, что именно число Рейнольдса является критерием, определяющим режим течения в трубах.

Как показывают опыты, для труб круглого сечения .

Таким образом, критерий подобия Рейнольдса позволяет судить о режиме течения жидкости в трубе. При течение является ламинарным, при- турбулентным.

Смена режима течения обусловлена тем, что одно течение при достижении критического числа Рейнольдса теряет устойчивость, а другое - приобретает.