Зертханалық жұмыс № 2 сұйықтың қозғалыс режимін анықтау

Жұмысытың мақсаты: Ағынның әртүрлі режимдерін зерттеу.

2.1. Теориялық бөлім

Химия технологиясындағы көптеген процестердің қарқындылығы оларға қатысатын сұйық немесе газ ағындарының қозғалыс режиміне көп байланысты. Мұндай процестерді есептегенде сұйықтың немесе газдың қозғалыс түрлерін ескеру қажет.

Ағылшын ғалымы О.Рейнольдс 1883 жылы сұйық қозғалысының екі түрлі режимі болатынын тәжірибе жүзінде толық зерттеп анықтады.

Қозғалыстың бірінші түрінде сұйықтың элементар ағыстары түзу сызықпен өзара араласпай, параллель қозғалады. Бұл режимді Рейнольдс ламинарлық режим деп атады.

Рейнольдс санын, гидродинамикалық ұқсастық теориясын қолданып сұйық қозғалысының Навье - Стокс дифференциалдық теңдеуінен қорытып шығаруға болады. Бұл тәсіл Рейнольдс санының физикалық мәнін анықтайды. Рейнольдс саны қозғалыстағы сұйыққа әсер ететін инерция күшпен тұтқырлық күшінің қатынасын көрсетеді. Демек, Рейнольдс санының мәні үлкен болғанда (турбуленттік режимде) инерциялық күштің шамасы тұтқырлық күшінің шамасынан әлде қайда үлкен болады. Керісінше, ламинарлық режимде қозғалыс негізінен тұтқырлық күшінің әсерімен сипатталады.

Сұйықтың элементар ағыстарының жылдамдықтарының өзгеруі құбырдың қимасы бойынша осы екі режимде әртүрлі болады. Екі режимде де құбырдың ішкі бетіндегі сұйық ағысының жылдамдығының мәні үйкеліс күшінің әсерінен нольға тең болады да, құбырдың осіндегі сұйық ағысының жылдамдығының мәні ең үлкен шама болады. Ламинарлық режимде ағыс жылдамдықтары осы екі аралықта параболалық заңдылықпен, ал турбуленттік режимде логарифмдік заңдылықпен өзгереді.Ағынның орташа жылдамдығы ламинарлық режимде ең үлкен жылдамдықтың жартысына тең болады:

w_ср= 0,5 w _max (2.1)

Ал қозғалыстың екінші түрінде сұйықтың барлық массасы бір бағытта қозғалғанмен, элементар ағыс сызықтары өзара араласып, сұйықтың жекеленген бөлшектері тәртіпсіз, кез-келген бағытта қозғалады. Бұл режимді Рейнольдс турбуленттік режим деп атады.

Ал турбуленттік режимде:

w_ср= (0,8  0,9) w_max (2.2)

Сонымен бірге Рейнольдс сұйық қозғалысының режиміне сұйықтың тұтқырлығы, тығыздығы, орташа жылдамдығы және ағынның геометриялық өлшемі әсер ететіндігін анықтады.

Осы төрт шамадан тек бір ғана өлшем бірліксіз комплекс сан алуға болады. Ол санды Рейнольдс саны деп атайды:

(2.3)

где: w – ағынның орташа жылдамдығы, м/с;

d_э – құбырдың эквивалентті диаметрі , м;

 – сұйықтың тығыздығы (газа), кг/ м³;

- сұйықтың тұтқырлығының динамикалық коэффициенті, Па ^. с;

 = - сұйықтың тұтқырлығының кинематикалық коэффициенті, м²/с.

Ламинарлы режим бөлшектер майда және ортаның тұтқырлығының көп болуына байланысты олардың қозғалысы аз жылдамдықпен сипатталады. Бұл кезде сұйық бөлшектерді жай ағыстап өтеді және энергия тек үйкеліс кедергісін жеңуге жұмсалады. Ламинарлы режимнің критикалық мәні Re_кр = 2300.

Турбулентті режим бөлшектердің ірі және тығыздығы көп, ал ортаның тұтқырлығының аз болуына байланысты үлкен жылдамдықпен сипатталады. Жылдамдықтың және инерция күшінің үлкен болуы салдарынан бөлшектің артқы жағында ағынның ретсіз араласқан құйынды қозғаласы пайда болады. Соның әсерінен бөлшектің артқы жағында қысым азаяды.

Рейнольдс санның мәні төмендегідей белгіленеді:

Ламинарлы ағыс - Re < 2300

Ауыспалы аумақ - 2300  Re  10000

Кемелденген турбулентті ағыс - Re  10000

Рейнольдстің жүргізіген тәжірибелері бойнша егер Re<2300 кіші болса, құбырда ламинарлык режим, ал Re>2300 үлкен болса, онда турбуленттік режим болатыны анықталған.

Ламинарлық режим мен турбуленттік режимнің шекарасын айыратын санды Рейнольдстің аумалы саны деп атайды:

Re_ау=2300

Іс жүзінде бұл санды шартты түрде қабылдау керек, себебійе Re≥2300 болғанда да ламинарлық режімді байқауға болады, бірақ бұл режим орнықты болмайды. Мұндай режимде ағынның бірден турбуленттік режимге ауысып кетуіне әкеліп соғады.

Сондықтан Ғ<2300 болғанда — орнықты ламинарлық режим, Re<10000 болғанда-кемелденген турбуленттік режим, ал 2300 < Re < 10000 болғанда алмасу режимі деп те атайды.

Тік құбырларға қарағанда иректелген (змеевикам) құбыр арқылы өтетін ағыс үшін, Re_кр критикалық мәні жоғары, және құбырдың диаметрінің d ирек орамының диаметріне D қатынасына байланысты (d /D). Бұл байланыстың түрі анықтама әдебиеттерде /1, 18 бет/. көрсетілген.

Ағынның геометриялық өлшемі ретінде құбырдың диаметрі, ағынның гидравликалық радиусы немесе эквиваленттік диаметрі пайдаланылады. Гидравликалық радиусы немесе эквиваленттік диаметр ағын қимасы дөңгелек болмағанда қолданылады. Гидравликалық радиус деп ағын арнасының көлденең қимасының ауданының сол қиманың сұйықпен шектелген периметріне қатынасын айтады:

(2.4)