9. 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.) 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.:

Рис.15 Напорное движение в трубе

Рис.16 Безнапорное движение в трубе

Впервые в 1883 г. режимы течения жидкостей изучал английский ученый Осборн Рейнольдса. 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:

, (46)

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 (2320≤Re≤10⁴ )

в) турбулентный (Re>10⁴).

Рассмотрим структуры ламинарного и турбулентного потоков:

Рис.17 Ламинарный поток рис.18 Турбулентный

поток

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.

10. Уравнение постоянства расхода жидкости

При условии непроницаемости и недеформируемости стенок трубопровода и отсутствия разрывов и пустот для стационарного потока жидкости, ее массовый расход постоянен.

– уравнение постоянства расхода жидкости.

В любых поперечных сечениях стационарного потока жидкостей ее массовый расход постоянен.

Это уравнение выражается материальным балансом потока и является частным случаем закона сохранения массы.

Для несжимаемой жидкости: ρ₁=ρ₂=ρ=const

Рис.20 Сечение 1 – 1, 2 – 2

В этом случае:

; (48)

Отсюда следует,

(49) – важное для практики следствие из уравнения постоянства расхода.

Средняя скорость обратно пропорциональна живому сечению потока или квадрату диаметра трубы.