Вопросы для защиты работы

1. Чем вызваны потери энергии при движении вязкой жидкости по трубопроводу?

2. Что такое гидравлический уклон и от чего он зависит?

3. Что такое гидродинамический напор?

4. Как определяется средняя скорость потока?

5. О чем говорит коэффициент Кориолиса?

6. Написать уравнение сплошность потока.

7. Указать на графике скоростной напор в любом сечении.

8. Как по графику линий энергии и потенциальной энергии определить гидравлический (пьезометрический) уклон в заданном сечении?

9. В каком сечении будет наименьшая пьезометрическая высота?

Список литературы

1. Башта Т.Н., Руднев С.О., Некрасов Б.Б. и др. Гидравлика, гидромашины гидроприводы. – М.: Машиностроение, 1982. - 423 с.

2. Альтшуль А.Д. Гидравлические сопротивления. - М.; Недра, 1970. - 216 с.

3. Брот Р.А., Глазырина З.М. Методические указания к выполнению лабораторной работы № 6 по гидравлике. - Уфа: УНИ, 1983.

4. Методическое указание к выполнению лабораторной работы №3 по гидравлике.-Уфа: изд. Уфимс. нефт. ин-та, 1983.

5. Константинов Ю.М. Гидравлика. – Киев: Вища школа, 1981.

6. Лойцянский Л.Г. Механика жидкости и газа.- М.: Наука, 1970.- 904 с.

7. Константинов Ю.М. Гидравлика.- Киев: Вища школа, 1988.-398 с.

8. Бедная Т.А., Плуготаренко Н.К. Гидрогазодинамика.-Тавганрог: ЮФУ, 2015.-100с.

Лабораторная работа №204.

Изучение структуры потоков жидкости.

Определение режима течения

Цель работы. Наблюдение потоков жидкости с различной структурой и выявление факторов, влияющих на структуру. Освоение расчетного метода определения режима течения.

Приборы и материалы:

Устройство 3 из портативной лаборатории Капелька

Основные теоретические сведения

При течении жидкости в трубах и каналах различают два основных режима движения - ламинарный и турбулентный. Каждому режиму движения соответствуют свои закономерности, определяющие величину потерь напора на преодоление гидравлических сопротивлений. Точный учет этих потерь – одна из основных задач практической гидравлики, от правильного решения которой во многом зависит надежность инженерных решений.

При малых скоростях жидкость движется упорядоченно в виде отдельных слоев. В пределах одного, слоя все частицы жидкости имеют одинаковые скорости. Отдельные слои в потока жидкости скользят друг по другу не перемешиваясь. Линии тока и траектории частиц определяется формой русла, по которому течет жидкость. Например, в прямой круглой трубе постоянного сечения линии тока – прямые линии, параллельные оси трубы. Такой характер движения жидкости называется ламинарным режимом движения.

При больших скоростях движение частиц жидкости становится беспорядочным, хаотическим. Наблюдаются пульсации скорости и давления в каждой из точек потока, приводящие к перемешиванию частиц. Частицы жидкости движутся по все время изменяющимся траекториям, могут двигаться и поперек течения, и против него, в целом сохраняя общее направление движения. Такое движение жидкости называется турбулентным.

При резком изменении поперечного сечения или на­правления канала от его стенки отрывается транзитная струя, а у стенки жидкость начинает двигаться в обратном направлении, приводя к вращению жидкости между транзит­ной струей и стенкой. Эта область называется циркуляционной (вальцовой) зоной.

Для визуализации течений применяют меченые частицы (например, частицы алюминия) или окрашенные (например, чернилами или тушью) струйки, которые показывают траек­тории движения множества частиц жидкости. Они еще назы­ваются линиями тока, если течение установившееся. При ус­тановившемся (стационарном) течении осредненные значе­ния скорости и давления в каждой точке потока постоянны во времени. В этом случае расход, т.е. количество жидкости, проходящее через заданное сечение в единицу времени, также не изменяется во времени.

Режим движения жидкости определяется безразмерным числом, учитывающим основные характеристики потока, которое называется числом Рейнольдса в честь английского физика О. Рейнольдса, изучавшего режимы движения жидкости и установившего условия существования различных режимов движения.

Число Рейнольдса в общем случае находится по формуле:

R_e= ,

где v - средняя скорость;

L - характерный линейный размер русла, м;

ρ - плотность жидкости, кг/м³;

μ - динамический коэффициент вязкости, Па۰с;

или, учитывая, что кинематический коэффициент вязкости =, м²/с, по формуле:

R_e= ,

Если жидкость движется в цилиндрических трубах, за характерный линейный размер принимается внутренний диаметр трубы, т.е. d и формула для определения числа Рейнольдса принимает вид:

R_e=

или

R_e=,

Т. к. средняя скорость v=Q/ω, а площадь поперечного сечения цилиндрической трубы ω = πd²/4, число Рейнольдса можно определить через расход жидкости:

R_e=.

Если жидкость движется в трубах и каналах некруглого поперечного сечения, характерный размер принимается равным L=4R, где R–гидравлический радиус. Гидравлическим радиусом называется отношение площади живого сечения потока ω, м², к длине смоченного периметра , м, т.е. длине периметра живого сечения, на которой жидкость соприкасается со стенками русла, м:

R=.

В этом случае число Рейнольдса определяется по формулам:

R_e=, R_e=, R_e=.

Число Рейнольдса является также одним из основных критериев подобия при течении жидкостей и газов. Это число выражает, отношение сил инерции к силам трения в потоке вязкой жидкости. Малое число Рейнольдса показывает, что в потоке велики силы трения, стремящиеся упорядочить движение частиц и подавить случайно возникающие возмущения, в результате чего поток движется ламинарно. Большое число Рейнольдса свидетельствует о преобладании в потоке сил инерции, поэтому возникающие возмущения быстро развиваются и жидкость движется турбулентно.

Смена режимов движения жидкости происходит не внезапно, а постепенно в некотором диапазоне скоростей, называемом переходной областью. Скорость, при которой происходит переход от турбулентного движения к ламинарному, имеет меньшие значения, чем скорость, при которой происходит переход от ламинарного режима к турбулентному. Поэтому скорость, при которой режим движения переходит от ламинарного к турбулентному, называется верхней критической скоростью V_HК, а скорость, при которой турбулентный режим переходит в ламинарный, - нижней критической скоростью v_HК переходной области режим движения неустойчив и под влиянием случайных факторов может принимать как ту, так и другую формы. Жидкость в переходной области может временами двигаться то ламинарно, то турбулентно. Это явление называется перемежаемостью течения.

Число Рейнольдса, вычисленное при значении v = v_HК, называется нижним критическим числом Рейнольдса (Re_НК), а при v= vВК верхним критическим числом Рейнольдса Re_ВК. Если Re<Re_НК, наблюдается устойчивый ламинарный режим движения жидкости, а если Re>Re_ВК – возможен только турбулентный режим.

Величины Re_НК и Re_ВК определяются экспериментально. Они зависят, от ряда причин: таких, как форма потока, степень возмущений в жидкости, содержание газа и твердых частиц в жидкости и др. На основании проведенных исследований установлено, что нижнее критическое число Рейнольдса изменяется незначительно и для цилиндрических труб лежит в пределах 2000...2320. Верхняя же граница критического числа Рейнольдса не имеет определенного значения. Тщательно предупреждая начальные возмущения, удавалось наблюдать переход ламинарного течения в турбулентное при числах Рейнольдса, равных 12 000 (А.В.Саф и Е.Х. Шодер), 22 000 (Л.Шиллер) и даже 54 000 (Х.Т.Барнес и Е.Д.Кокер). Такое затянутое ламинарное движение очень неустойчиво и при малейших возмущениях сразу же переходит в турбулентное.

При выполнении, инженерных расчетов – принято определять режим движения жидкости сравнением числа Рейнольдса, вычисленного для потока жидкости, с нижним критическим числом Рейнольдса, которое называют просто критическим числом Рейнольдса и обозначают Re_КР. Для труб круглого поперечного сечения принимают Re_КР=2320, а для безнапорных труб и русел некруглого сечения Re_КР =580. Если Rе<Re_КР, режим движения считают ламинарным, если Rе ≥ Re_КР, - турбулентным.