1.4. Лабораторная работа №4. Изучение режимов течения жидкости

Цель работы – наглядная иллюстрация ламинарного и турбулентного режимов течения жидкости.

Содержание работы – аналитическое определение чисел Рейнольдса, соответствующих этим режимам.

1.4.1. Теоретические основы

В природе существуют два резко отличающихся друг от друга режима течения жидкости: ламинарный и турбулентный.

Как показывают лабораторные исследования, структура потока при различных скоростях течения различна. Определить вид режима течения потока жидкости по его структуре можно визуально и аналитически. Если в движущийся в стеклянной трубе поток жидкости (рис.5, а) пустить тонкую струйку окрашенной жидкости, можно увидеть, что при малых скоростях течения в ней появятся окрашенные слои жидкости: они будут двигаться прямолинейно, без пульсации, не перемешиваясь с соседними слоями потока жидкости (ламинарное течение).

а) б)

Рис.5. Схемы ламинарного (а) и турбулентного (б) течений

Ламинарным называют слоистое течение без перемешивания частиц жидкости, которые движутся параллельно оси трубопровода с различными скоростями.

В условиях постепенного увеличения скорости течения жидкости в стеклянной трубе, при достижении некоторой скорости параллельно-струйное течение нарушится, окрашенные слои станут дрожащими (пульсирующими), далее они вначале примут извилистую форму, а затем в некоторых местах струек появятся разрывы. Если продолжать увеличивать скорость течения, разрывы струек участятся, затем окрашенные струйки исчезнут, перемешавшись с потоком жидкости (см. рис.5, б).

Таким образом, при больших скоростях течения наряду с основным поступательным перемещением происходит поперечное и вращательное движение частиц, что приводит к интенсивному их перемешиванию. Этим объясняется пульсация скоростей и давлений в турбулентном потоке.

Турбулентным называется течение, сопровождающееся беспорядочным, хаотическим движением жидкости с пульсацией скоростей и давлений.

Английский физик О. Рейнольдс установил в 1883 г. условия, при которых возможно существование одного из указанных режимов и переход от одного к другому. Основными факторами, определяющими режим течения, являются: средняя скорость v, диаметр трубы d и кинематический коэффициент вязкости . Для характеристики режима течения жидкости было введено безразмерное число Рейнольдса (Re), учитывающее влияние перечисленных факторов

. ( 4.1 )

Границы существования того и другого режима определяются двумя критическими числами. Число Рейнольдса, ниже которого наблюдается устойчивое ламинарное течение, называется нижним критическим числом Рейнольдса ( = 2300). При числе Рейнольдса, превышающем верхнее критическое значение, наблюдается устойчивый турбулентный режим течения ( 4000).

В узком интервале чисел Рейнольдса между критическим нижним и критическим верхним наблюдается переходный режим, отличающийся крайней неустойчивостью. В этом диапазоне может существовать как ламинарное, так и турбулентное течение, но оба они неустойчивы и легко переходят друг в друга.

Нижнее критическое число Re имеет относительно стабильное значение, верхнее же может существенно изменяться под воздействием различных факторов: возмущения на входе, шероховатость стенок, вибрация трубы и т.д. С физической точки зрения число Рейнольдса есть величина, пропорциональная отношению сил вязкости к силам инерции.