Сұйықтық қозғалысының режимдері.

1. Жұмыстың мақсаты:

Тәжірибе жүзінде әр түрлі режимдерде қимасы дөңгелек болатын құбыр өткізгіштегі сұйықтық ағысы үшін Рейнольдс санын анықтау.

2. Жұмыстың мазмұны.

- дөңгелек қималы құбыр өткізгіште әр түрлі режимдердегі сұйықтық ағысының бар болуын қадағалау;

әр ағыс режимі үшін Рейнольдс санын орнату;

• ағыстың ламинарлы режимінен турбулентті режимге ауысуды анықтап, Рейнольдс санының ауыспалы мәнін анықтау;

• сұйықтық қозғалысының жоғары және төменгі ауыспалы жылдамдықтарының бар болуының физикалық мағынасын түсіндіру;

• Рейнольдс санын тәжірибеде анықтау әдісімен танысу;

3. Жұмыстың орындалу тәртібі:

• теориялық материал мен әдістемелік нұсқаудың мазмұнымен танысу;

• бақылау сұрақтарға жауап беру;

• зертханалық жұмыстың орындалу тәртібімен және тәжірибелік стендпен танысу;

• сынақтар жүргізу;

• сынақ нәтижелерін өндеп, сызба немесе кесте түрінде көрсету;

• зертханалық жұмыс бойынша есеп беруді рәсімдеу және қорғау.

4. Жұмысқа керекті құрал-жабдықтар:

Зертханалық тәжірибелік стенд және әдістемелік нұсқаулар.

5. Теориялық бөлім.

Инженерлік практикада көбіне құбыр өткізгіште сұйықтық қозғалысы кезіндегі энергия жоғалту мөлшерін білу қажет. Энергия жоғалтулар сұйықтық қозғалысының режиміне байланысты болады. Сондықтан да құбыр өткізгіштің бойымен өтетін немесе құбырдың жекелеген бөліктердегі энергия жоғалтуды анықтау үшін алдымен керекті қозғалыс режимін орнату керек. Құбырдағы сұйықтар мен газдардың екі ағыс режимі белгілі:

• ламинарлы

• турбулентті

Осы екі қозғалыс режимдерінің арасында үшінші ауыспалы режим бар.

Ламинарлы ағыс- сұйықтық бөлшектерінің араласпай және жылдамдықтың өзгеруінсіз болатын қабатты ағыс. Бұл жағдайда барлық ток сызықтары сұйықтық ағатын арна формасымен анықталады. Тұрақты қималы түзу құбырдағы сұйықтықтың ламинарлы ағысы кезінде барлық ток сызықтары құбыр осіне параллель бағытталады да, сұйықтың көлденең орын ауыстыруы болмайды. Сонымен ламинарлы режим ағыстың қатаң бекіткен тұрақты арынында реттелген болып қалады (бірақ жалпы жағдайда ол анықталмаған болуы мүмкін).

Турбулентті ағыс- бұл ағыс сұйықтықтың қарқынды орын ауыстыруымен және қысым мен жылдамдықтың өзгеріп тұруымен қоса жүреді. Жекелеген бөлшектердің қозғалысы ретсіз сипатта болады.

Оның себебі турбулентті ағыс кезінде сұйықтық бөлшектері құбыр өткізгішті бойлай негізгі бойлық орын ауыстырумен қатар жекелеген көлемдерде көлденең және айналмалы қозғалыста болады. Сұйықтық қозғалысының режимі ағыстың орташа жылдамдық шамасына νср, сызықтық өлшеміне және сұйықтық температурасымен t˚C анықталатын кинематикалық тұтқырлық коэффициентімен υ анықталады.

Құбыр өткізгіштегі сұйықтық ағысы режимдерінің өзгеруі ауыспалы деп аталатын ағыстың белгілі жылдамдығында νқау іске асады. Көптеген тәжірибелерде көрсетілгендей, бұл жылдамдық шамасы тұтқырлықтың кинематикалық коэффициентіне тура пропорционал, ал құбыр диаметріне кері пропорционал

= (1)

Берілген формуладағы k- пропорционалдық коэффициенті кез келген диаметрлі құбырлар үшін әмбебап мәндері бар. Бұл дегеніміз ағыс өзгерісі жылдамдық, диаметр және тұтқырлық арасында белгілі қатынаста өтеді.

k= (2)

Ауыспалы жылдамдық түрлері:

1. Ламинарлы режим турбулентті режимге ауысқандағы жоғарғы ауыспалы жылдамдық v_ауыс

2. Турбулентті режим ламинарлыға ауысқандағы төменгі ауыспалы жылдамдық.

Диаграммада үш аймақ көрсетілген.

Орнықты ламинарлы режим аймағы	Ауыспалы немесе тұрақты емес режим аймағы	Орнықты турбулентті режим аймағы
	vауыс.ж.
vауыс.т.

1. Орнықты ламинарлы режим аймағы.

2. Орнықты турбулентті режим аймағы

3. Ауыспалы аймақ, онда жылдамдық шамасына қарай турбулентті және ламинарлы режимдер ауысады.

Егер жылдамдық артатын болса, ауыспалы аймақта турбулентті режим басым болады,ал егер азаятын болса ламинарлы режим болады. Екі режим де ауыспалы аймақта тұрақсыз, олар өте кіші әсерлерден бұзылады. Әсіресе ламинарлы режим тұрақсыз болып келеді. Сондықтан да практикада ауыспалы аймақта турбулентті режим көп қолданылады, ал ауыспалы жылдамдық ретінде оның төменгі мәнін алады.

1883 ж ағылшын физигі О.Рейнольдс өзінің сынақтарымен Менделеевтің ламинарлы және турбулентті режимдердің бар болуы туралы теориялық болжамын дәлелдеді және олардың белгілі физикалық шамалармен қатынасының тәуелділігін орнатты. Бұл қатынас Рейнольдс саны деп аталып, дөнгелек құбыр өткізгіш үшін бұл қатынас мынадай:

Re= (3)

Бір қозғалыс режимінен екіншісіне ауысу ауыспалы Рейнольдс санымен жүзеге асады. Оның шамасы былай анықталады:

Rе_ауыс = ₍₄₎

Дөңгелек қималы құбыр үшін ауыспалы Рейнольдс саны шамамен:Re_а=2320

Егер Re<Re_а болса, ағыс ламинарлы болады; егер Re>Re_а болса, онда турбулентті режим болады.

Дөңгелек құбырдағы сұйықтық қозғалысына жүргізілген бақылаулар көрсеткендей Рейнольдс саны Re=2320 мәнінен кіші болса, режим тұрақты ламинарлы болады. Ал егер Re=4000 көп болса, онда режим орнықты турбулентті болады. Ауыспалы аймақ үшін Рейнольдс санының ауыспалы мәні ретінде ауыспалы жылдамдықтың төменгі мәні алынады:

1. Сұйықтықтың дөңгелек құбырдағы қозғалысы кезінде Re_а=2320

2. Кез келген арнадағы қозғалыс кезінде Re_а=580

Іс-тәжірибеде ламинарлы және турбулентті ағыстар қолданылады. Біріншісі құбырда аса тұтқыр сұйықтықтар мысалы, майлайтын май аққанда байқалады. Ал екіншісі құбыр өткізгіште бензин, керосин, спирттер, қышқылдар және басқа да аз тұтқырлы сұйықтықтар аққанда байқалады.

(3) формуласына кіретін белгісіз шамалар νорт және υ. Оларды сұйықтық температурасы мен шығының есептеу арқылы табуға болады.

6. Зертханалық тәжірибелік стендті сипаттау

Саптама арынды күбіше 1-ден тұрады. Оған сұйықтық шығыны мен жылдамдықты реттейтін В₁ вентилі бар шыны құбыр 6 жалғанған. Сұйықтық күбіше 1-ден күбіше 2-ге ағады да,онда белгілі деңгей ұсталып отырады. Сұйықтық күбіше 1-ге 7 құбыр арқылы беріледі. Күбішедегі тұрақты деңгейді сақтап тұру үшін қалтқы (поплавок) 8 қолданылады. Q шығынның шамасын көлемдік тәсілмен өлшейді.

Күбіше 1-дің үстіңгі жағында күбіше 3 орналасқан. Күбіше 3 сыналып отырған сұйықтық салмағына тең көлемдік салмағы бар сырмен (краска) толтырылған. Одан құбыр 5 шығады. Оның соңы шыны құбырдың бастапқы бөлігіне кіреді. Күбішедегі сырдың берілуі В3 вентилімен реттеледі. Өлшеулі күбіше 4-тен сұйықтықты ағызу үшін В2 вентилі қолданылады.

7. Тәжірибе жүргізу мен мәліметтерді өндеу реті.

1) Тәжірибені бастамас бұрын В₁,В₂,В₃ вентилдері жабық болуы керек.

2) В₂ вентилін ашып, өлшеулі күбіше 4-тен сұйықтық ағызу.

3. 1 мен 2 күбішедегі сұйықтықтың бар болуын қарау. Егер сұйықтық болмаса немесе керекті деңгейден төмен болса, вентилдер көмегімен сұйықтықты керекті «с» деңгейге жеткізу.

4. В₃ вентилін баяу ашып, боялған сұйықтықты шыны құбыр 6-ға жіберу.

5. В₁ вентилін баяу ашып, сұйықтық қозғалысының ламинарлы режимін орнату, яғни боялған сұйықтық 6 шыны құбыр өткізгіш осіне параллель қабатталып қозғалатын болуы керек.

6. В₃ вентилін жауып өлшеулі күбіше 4 толу уақытын белгілеу. Толу уақытын 120с немесе 180с деп алу керек.

7. Көрсетілген уақыт бөлігі өткеннен кейін В₁ вентилін жабу. Сызғыштың көмегімен өлшеулі күбішедегі сұйықтық деңгейін анықтау. Сұйықтықтың өлшеу қорытындыларын жазып алу. Өлшеулі күбіше жақтары 0,2*0,2м.

8. В₂ вентилін ашып өлшеулі күбішедегі сұйықтықты ағызып жіберу.

Сұйықтық қозғалысының ауыспалы және турбулентті режимін алу үшін сынақ жүргізудің тәртібі қайталанып отырады.

Ауыспалы режим- боялған сұйықтықтың шыны құбырды бойлай жасайтын толқын тәрізді қозғалысы.

Турбулентті режим- боялған сұйықтықтың сыналып отырған сұйықтық массасымен толық араласуы.

Термометр бойынша сұйықтық температурасы анықталады және кесте бойынша сұйықтықтың кинематикалық тұтқырлық коэффициенті анықталады.

Температураға байланысты судың тұтқырлығының кинематикалық коэффициенті.

t, c см /c t,c cм /c

+1 0.0178 +11 0.0127

+2 0.0173 +12 0.0124

+3 0.0162 +13 0.0121

+4 0.0157 +14 0.0117

+5 0.0152 +15 0.0114

+6 0.0147 +16 0.0111

+7 0.0143 +17 0.0108

+8 0.0139 +18 0.0106

+9 0.0131 +19 0.0103

+10 0.0131 +20 0.0101

Берілген көрсетулермен мыналар есептеледі:

а) шыны құбырдағы сұйықтық жұмсалуының формуласы

Q= ; м /c

мұндағы W-өлшеулі күбіше көлемі, t - өлшеулі күбішенің толу уақыты.

б) сұйықтық қозғалысының орташа жылдамдығы

= ; м/c мұндағы S-құбыр қимасының ауданы

в) Рейнольдс саны

Re=

мұндағы -тұтқырлықтың кинематикалық коэффициенті. Оның мәні сұйықтық температурасына байланысты кестеден алынады немесе формула бойынша есептеледі.

9. Алынған Re шамасы Рейнольдс санының ауыспалы мәнімен салыстырылып, қозғалыс режимі анықталады.

10. Әр режим үшін сынақ 2-3 рет өткізіледі.

Есептеу қорытындылары 3.1 кестесіне енгізіледі.

0. 1- кесте. Өлшеулер мен есептеулер мәлеметтері.

№	Атауы	Белгіленуі	Өлшем бірлігі	Тәжірибелер
				Лам.	Ауыс.	Турб.
1	Құбыр диаметрі	d	м
2	Қима ауданы	S	м
3	Өлшеулі күбіше көлемі	W	м
4	Өлшеулі күбішенің толу уақыты	t	с
5	Сұйықтықтың шығыны	Q	м /c
6	Сұйықтық қоғалысының орташа жылдамдығы		м/c
7	Сұйықтық температурасы	T	С
8	Тұтқырлықтың кинемати-калық коэффициенті		м /c
9	Рейнольдс саны	Re

Бақылау сұрақтары:

1. Сұйықтық қозғалысының қандай режимдері бар, айырмашылықтары неде?

2. Сұйықтық қозғалысының жоғарғы және төменгі ауыспалы жылдамдығы нені сипаттайды?

3. Ауыспалы аймақ қандай қауіпті Рейнольдс санын қабылдайды?

4. Рейнольдс санын қалай анықтайды?

5. Рейнольдс саны сыналатын сұйықтықтың физикалық қасиеті мен температурасына қалай байланысты?

6. Сынақ жүргізу стендтегі тәжірибелік сынақтар қандай ретпен орындалады?

№4 зертханалық жұмыс.

Бернулли теңдеуін тәжірибе жүзінде тексеру.

1. Жұмыс мақсаты:

Ауыспалы қимадағы нақты сұйықтық қозғалысының Бернулли теңдеуіне пьезометриялық және толық арынның сызықтарын тұрғызу.

2. Жұмыс мазмұны

- сұйықтық қозғалысындағы ағыстың параметрлерінің (қысым,жылдамдық) арасындағы өзара байланыс орнату;

- идеал және нақты сұйықтықтың қарапайым жай ағысы үшін Бернулли теңдеуінің геометриялық және энергетикалық мәнін үйрену;

- нақты ағыс үшін Бернулли теңдеуінің графикалық суретін дайындау;

- сұйықтық қозғалысының параметрлерін тәжірибелік жолмен анықтау әдісімен танысу.

3. Жұмыстың орындалу тәртібі

- осы жұмыспен байланысы бар әдістемелік көрсеткіштер және теориялық материалдар мазмұнымен танысу;

- бақылау сұрақтарына жауап беру;

- стендпен және зертханалық жұмыстың орындалу тәртібімен танысу;

- тәжірибелер жасау;

- зерттеу нәтижелерін қорытып, график және кесте түрінде көрсету;

- жұмысты қорғау.

4. Жұмысқа керек жабдықтар

Зертханалық стенд және әдістемелік көрсеткіш.