- •5. Чем обуславливаются потери напора в трубопроводе?
- •7. Критерий Эйлера, его физический смысл. Общее критериальное уравнение установившегося движения потока.
- •10. Абсолютная и относительная шероховатости. Методы их определения. Влияние шероховатости на величину коэффициента трения.
- •12. Силы, действующие в потоке вязкой жидкости. Причины существования различных режимов движения жидкости.
- •1 3. Ламинарный режим движения жидкости. Эпюра скоростей.
- •1 4. Турбулентный режим движения жидкости. Эпюра скоростей. Структура турбулентного потока. Турбулентный пограничный слой.
- •15. Методы измерения расхода и скорости жидкости в трубопроводе.
- •16. Измерение давления и перепадов давлений в трубопроводах.
12. Силы, действующие в потоке вязкой жидкости. Причины существования различных режимов движения жидкости.
Силы, действующие в потоке вязкой жидкости:
Силы, действующие в жидкости, подразделяются на объемные (массовые) и поверхностные. Объемные силы пропорциональны объему (массе) жидкости (к ним относятся сила тяжести, сила инерции), а поверхностные силы пропорциональны площади поверхности, на которую они действуют (например, сила атмосферного давления на поверхность жидкости в открытом сосуде, сила вязкости).
При выводе основных закономерностей в гидравлике вводят понятие о гипотетической идеальной жидкости, которая, в отличие от реальной (вязкой) жидкости, абсолютно несжимаема под действием давления, не изменяет плотности при изменении температуры и не обладает вязкостью. Использование понятия об идеальной жидкости существенно упрощает решение многих задач гидродинамики, а справедливость полученных зависимостей проверяется и устанавливается проведением гидравлических экспериментов. В гидростатике понятия об идеальной и реальной жидкости совпадают.
Причины существования различных режимов движения жидкости:
Существование двух принципиально разных режимов движения жидкости было отмечено Г. Хагеном в 1839 и 1854 г г. В 1880 г. Д. И. Менделеев также высказал суждение о существовании двух режимов движения жидкости вследствие различия законов сопротивления движению. Позже английский физик О. Рейнольдс, а затем профессор Петербургского технологического института Н. П. Петров экспериментально подтвердили наличие двух режимов.
При изучении течения всевозможных капельных жидкостей с различными физическими свойствами. Рейнольдс установил, что движение бывает ламинарным и турбулентным (см. вопрос 13 и 14).
1 3. Ламинарный режим движения жидкости. Эпюра скоростей.
“Ламинарный” происходит от латинского слова lamina - слой. Ламинарным называется такой режим, когда поток жидкости движется отдельными струйками или слоями и траектории отдельных частиц между собой не пересекаются. В практике ламинарный режим имеет место при движении жидкостей с большой вязкостью (нефти, смазочных масел), при движении воды через тонкие трубки, в трубопроводах при малых скоростях потока.
При ламинарном движении наибольшая скорость развивается в центре трубы, наименьшая - у стенок.
1 4. Турбулентный режим движения жидкости. Эпюра скоростей. Структура турбулентного потока. Турбулентный пограничный слой.
“Турбулентный” происходит от латинского слова turbulentus - беспорядочный. Турбулентным называется такой режим, когда струйчатость потока нарушается, все струйки перемешиваются и траектории движущихся частиц приобретают сложную форму, пересекаясь между собой. В практике чаще всего имеет место турбулентный режим движения жидкости.
Структура турбулентного потока:
По этой схеме: у стенок образуется весьма тонкий слой жидкости, называемый ламинарным подслоем, в котором движение жидкости происходит по законам ламинарного режима; основная центральная часть потока (ядро), отделенная от этого подслоя переходной зоной, движется турбулентно с почти одинаковой для всех частиц жидкости осредненной скоростью. Характеристики турбулентного движения могут меняться в зависимости не только от расхода жидкости, диаметра труб и вязкости жидкости, но также в зависимости от состояния внутренней поверхности трубы.
Турбулентный пограничный слой (?):
Пограничный слой, область течения вязкой жидкости (газа) с малой по сравнению с продольными размерами поперечной толщиной, образующаяся у поверхности обтекаемого твёрдого тела или на границе раздела двух потоков жидкости с различными скоростями, температурами или химическим составом. Пограничный слой характеризуется резким изменением в поперечном направлении скорости (динамический пограничный слой), или температуры (тепловой, или температурный, пограничный слой), или же концентраций отдельных химических компонентов (диффузионный, или концентрационный, пограничный слой). На формирование течения в пограничном слое основное влияние оказывают вязкость, теплопроводность и диффузионная способность жидкости (газа). Внутри динамического пограничного слоя происходит плавное изменение скорости от её значения во внешнем потоке до нуля на стенке (вследствие прилипания вязкой жидкости к твёрдой поверхности). Аналогично внутри пограничного слоя плавно изменяются температура и концентрация.
Режим течения в динамическом пограничном слое зависит от числа Рейнольдса Re и может быть ламинарным или турбулентным
Итак, ламинарным называется слоистое течение без перемешивания частиц жидкости и без пульсации скорости и давления. При ламинарном течении жидкости в прямой трубе постоянного сечения все линии тока направлены параллельно оси трубы, при этом отсутствуют поперечные перемещения частиц жидкости.
Турбулентным называется течение, сопровождающееся интенсивным перемешиванием жидкости с пульсациями скоростей и давлений. Наряду с основным продольным перемещением жидкости наблюдаются поперечные перемещения и вращательные движения отдельных объемов жидкости. Переход от ламинарного режима к турбулентному наблюдается при определенной скорости движения жидкости. Эта скорость называется критической .
Значение этой скорости прямо пропорционально кинематической вязкости жидкости и обратно пропорционально диаметру трубы: ,
где – кинематическая вязкость; – безразмерный коэффициент; – внутренний диаметр трубы. Входящий в эту формулу безразмерный коэффициент k, одинаков для всех жидкостей и газов, а также для любых диаметров труб. Этот коэффициент наз. критическим числом Рейнольдса и определяется следующим образом: