Определение числа Рейнольдса по опытным данным при ламинарном и турбулентном режимах движения
Цель работы:
под данным эксперимента определить число Рейнольдса и сделать вывод о характере движения жидкости
построить графики зависимости числа Рейнольдса от скорости движения жидкости - Re=/ (V) для различных жидкостей
1 Основные теоретические положения
В 1883 г. английский физик Осборн Рейнольде опубликовал результаты своих экспериментальных исследований, весьма наглядно иллюстрирующих существование в природе разных видов движения жидкости.
Опыты показатели, что возможны два режима движения жидкости или газа: ламинарный и турбулентный.
Ламинарное (параллельно-струйное) движение характеризуется упорядоченным перемещением отдельных частиц без перемешивания и без пульсаций скорости и давления. Если в прямой трубе постоянного сечения протекает жидкость при ламинарном режиме движения, то все линии тока направлены параллельно оси трубы, т.е. прямолинейны, а поперечные перемещения жидкости в процессе её течения отсутствуют.
Турбулентное (беспорядочное) движение характеризуется интенсивным перемешиванием частиц жидкости и пульсациями скоростей и давлений. Траектории отдельных частиц при турбулентном движении имеют вид замысловатых кривых, что говорит о том, что при турбулентном движении наряду с основным продольным перемещением жидкости вдоль трубы существуют поперечные перемещения и вращательное движение отдельных объектов жидкости.
Ламинарный режим наблюдается преимущественно при движении вязких жидкостей (нефти, смазочных масел и т.д.), а также при движении воды через тонкие капиллярные трубки.
Движение воды в водопроводных трубах, в разного рода напорных водоводах, в каналах и реках и т.д при обычно встречающихся на практике скоростях течение почти всегда характеризуются турбулентными режимами.
Режим течения жидкости зависит от её скорости и смена ламинарного течения на турбулентное в данной трубе происходит при определённой скорости течения, что является подтверждением философского закона перехода количества в качество.
На основании анализа результатов опытных исследований Рейнольде предложил безразмерный коэффициент, называемый числом (критерием) Рейнольдса:
,
(18)
где Vcp – скорость течения жидкости, м\с,
d – диаметр трубы, м, ' .
v – кинематический коэффициент вязкости жидкости.
В результате экспериментов Рейнольд определил, что для круглой трубы критическим числом, при котором происходит смена режимов течения жидкости, является Reкр = 2320. Тогда, при Re < Rekp – течение жидкости ламинарное, а при Re > Reкp – турбулентное.
2 Описание экспериментальной установки
Схема экспериментальной установки Рейнольдса показана на рисунке 1
Рисунок 1
В стеклянную трубку 1 жидкость поступает из напорного резервуара 2. наполняемого с помощью трубы 3 с краном 4. Постоянный напор (уровень свободной поверхности жидкости) поддерживается благодаря установки сливной трубы 5. Изменение скорости течения жидкости в трубе 1 производится краном 6. Мерный бак 7 служит для определения расхода жидкости. Для наглядного наблюдения за режимом течения жидкости в трубе 1 в неё с помощью капиллярной трубки 8 подводится подкрашенная жидкость из бачка 9 с краном 10.
З Методика проведения эксперимента
Для двух разных жидкостей установим краном 6 пять значений расхода, который измеряем с помощью мерного бака 7 (W - объём воды) и секундомера (t- время наполнения мерного бака W). Расход жидкости (Q) определяется по зависимости:
,
(19)