5. Поток жидкости и его параметры

Поток – масса движущейся жидкости, направляемая твердыми стенками.

Живое сечение потока S – площадь поперечного сечения потока плоскостью, нормальной к скорости потока (например, к оси трубы). Измеряется в м².

Смоченный периметр потока П – часть контура живого сечения потока, по которой жидкость соприкасается со стенкой. Измеряется в метрах.

Гидравлический радиус потока R_г – отношение живого сечения потока к смоченному периметру:

, измеряется в метрах.

Эквивалентный диаметр канала d_э – учетверенный гидравлический радиус:

, измеряется в метрах.

Для трубы круглого сечения эквивалентный диаметр равен внутреннему диаметру трубы. Для каналов некруглого сечения (прямоугольного, шестиугольного, треугольного и т.д.) эквивалентный диаметр вычисляют по различным формулам.

Абсолютная шероховатость Δ – средняя высота выступов шероховатостей внутренней поверхности стенки трубы. Измеряется в мм.

Относительная шероховатость ε – отношение абсолютной шероховатости к эквивалентному диаметру канала.

Расход жидкости – количество жидкости, протекающей через живое сечение потока за единицу времени. Различают массовый, объемный и мольный расходы жидкости. Массовый и объемный расходы связаны:

;

;

.

Средняя скорость потока w – отношение объемного расхода жидкости к живому сечению потока:

Мгновенная скорость – скорость жидкости в данный момент времени.

Осредненная скорость – скорость жидкости, средняя для данного промежутка времени в нестационарном потоке.

6. Виды и режимы течения жидкостей

Различают 6 видов движения жидкостей: стационарное и нестационарное, равномерное и неравномерное, напорное и безнапорное.

В стационарном потоке все характеристики жидкости (ρ, w, t, μ, р и т.д.) в данной точке жидкости постоянны во времени. Это установившийся во времени поток.

В нестационарном потоке (неустановившемся во времени) характеристики жидкости в каждой точке изменяются во времени.

При равномерном течении скорость жидкости по длине трубы постоянна (диаметр трубы неизменный).

При неравномерном движении скорость потока переменна по длине трубы.

Напорное движение:

Безнапорное движение в трубе:

Впервые в 1883 г. режимы течения жидкостей изучал английский ученый Осборн Рейнольдс. Он обнаружил 2 принципиально разных течения:

а) ламинарный;

б) турбулентный.

В ламинарном потоке все частицы жидкости движутся по параллельным траекториям. При этом поперечное перемешивание отсутствует полностью. Это плавное и спокойное течение жидкости; наблюдается при небольших скоростях.

В турбулентном потоке частицы жидкости движутся по хаотическим (беспорядочным) траекториям. Некоторые частицы движутся назад, хотя вся масса жидкости перемещается в одном направлении. Это бурный, закрученный вихревой поток; наблюдается при больших скоростях.

Количественно можно оценить гидродинамический режим по числу (критерию) Рейнольдса:

,

где w – средняя скорость потока.

Re – мера соотношения сил инерции и вязкости (внутреннего трения) в потоке жидкости.

Для прямых гладких труб различают 3 режима течения:

а) ламинарный (Re<2320);

б) переходный, т.е. неразвитый турбулентный (Re=[2320;10⁴];

в) турбулентный (Re>10⁴).

Рассмотрим структуры ламинарного и турбулентного потоков:

а) Ламинарный б) Турбулентный

На рисунках – эпюры локальных скоростей в поперечных сечениях ламинарного и турбулентного потоков.

В структурах обоих потоков местная скорость на поверхности стенки равна 0 (жидкость прилипает к стенке за счет сил межмолекулярного взаимодействия), а максимальная скорость – на оси трубы. Структура турбулентного потока анизотропная (неоднородная). Здесь имеется очень тонкий пристенный пограничный ламинарный гидродинамический слой толщиной δ. В пределах этого слоя скорость жидкости увеличивается от 0 на стенке до некоторого конечного значения на границе пограничного слоя и турбулентного ядра потока.

Гидродинамические режимы играют важную роль при проведении различных процессов (химических, массообменных и т.д.)

Для интенсификации процессов обычно стремятся повысить степень турбулентности потоков.