3.12.1 Режимы течения жидкости в трубах

Еще в середине XIX века в результате опытов Гагена (1838 г.), Пуазейля (1841 г.) было установлено, что существуют два принципиально различных режима течения жидкости. Наиболее полно этот вопрос исследовал О.Рейнольдс (1883 г.). Различные режимы течения жидкости можно наблюдать вводя в поток подкрашивающую струйку красителя (рисунок 3.10).

Рисунок 3.10 – Схема установки О. Рейнольдса.

Замечено, что при небольшой скорости воды струйка красителя вытягивается в тонкую нить, которая, не размываясь, достигает конца трубы. Это свидетельствует о том, что пути частиц прямолинейны и параллельны друг другу.

Режим движения, при котором поток жидкости движется параллельно, скользящими друг относительно друга слоями или струйками, называется ламинарным. При этом режиме слои потока жидкости между собой не перемешиваются и движение происходит без пульсаций скорости. Ламинарный режим можно наблюдать в капиллярных трубках при движении вязких жидкостей типа нефти, мазута, сахарного сиропа и т. д.

Рисунок 3.11 – Схема развития турбулентности.

Если скорость воды в трубе увеличивать сверх определенного предела, то окрашенная струйка сначала приобретает волнообразное движение (рисунок 3.11), а затем начинает размываться, смешиваясь с водой. Такое неоднородное движение, при котором отдельные частицы жидкости движутся по беспорядочным, хаотическим траекториям, налагающимся на осредненное движение, называется турбулентным. В турбулентном потоке происходят пульсации скоростей, под действием которых частицы жидкости, движущиеся в главном (осевом) направлении, получают поперечные перемещения, приводящие к интенсивному перемешиванию потока по сечению.

Переход ламинарного режима в турбулентный происходит при определённой средней скорости течения υ_ср, которая зависит от диаметра трубы и вязкости жидкости. Эту скорость называют критической и определяют по формуле

,

где - безразмерный коэффициент равный для всех жидкостей и газов, а также для любых диаметров труб.

Т.е. изменение режима течения происходит при определённом соотношении между скоростью, диаметром и вязкостью ν

.

Полученное безразмерное число называется критическим числом Рейнольдса. С физической точки зрения число Рейнольдса есть отношение сил инерции потока к силам трения.

Опытным путём установлено, что критическое число Рейнольдса для круглых труб - 2320 для круглых труб, а для других сечений 580.

Для определения режима движения в потоке надо найти фактическое число Рейнольдса Re , которое можно установить для любого потока по формуле

,

и сравнить его с критическим числом Re_кр.

При движении жидкости в прямых круглых трубах на участках, достаточно удаленных от входа, и при отсутствии различных возмущающих условий установлено, что

 при Re < 2320 – режим движения жидкости устойчиво ламинарный;

 при Re > 2320 – режим движения жидкости – турбулентный.

При 2320 < Re < 10 000 турбулентный режим течения еще не полностью развит. Здесь зоны турбулентного движения могут перемежаться с зонами ламинарного движения. Такой режим течения жидкости называют переходным.

Режим движения жидкости оказывает большое влияние на гидравлическое сопротивление и потери энергии потока. Потери энергии при ламинарном режиме пропорциональны средней скорости потока в первой степени

.

При турбулентном режиме, потери энергии пропорциональны средней скорости в степени n > 1

,

где k_т и k_л – коэффициенты пропорциональности (сопротивления трубопровода).

Различие между ламинарным и турбулентным режимами имеется также и в распределении скоростей в живом сечении потока.

При ламинарном режиме распределение скорости по сечению имеет параболический закон (рисунок 3.12, а); при турбулентном режиме закон распределения более сложный (рисунок 3.12, б).

а) б)

Рисунок 3.12 – Распределение скорости в поперечном сечении трубы при ламинарном и турбулентном режиме движения жидкости.