Тема I. Исследование режимов движения жидкости
Работа № 1
ОПРЕДЕЛЕНИЕ РЕЖИМА ДВИЖЕНИЯ ЖИДКОСТИ
НА ПРИБОРЕ РЕЙНОЛЬДСА
1. Основные положения
При исследовании движения жидкости важнейшим является вопрос о потерях энергий (напора) или о законах сопротивления. Существование двух режимов движения жидкости с различными сопротивлениями было известно давно. Еще в 1880 г. русский ученый Д.И. Менделеев установил наличие двух режимов движения жидкости.
Но несколько позднее, в 1883 г. английским физиком О. Рейнольдсом были опубликованы его экспериментальные исследования по кинематической структуре потока жидкости. Рейнольдсом было установлено, что в области малых скоростей при значительной вязкости жидкости в малых поперечных размерах потока жидкость течет без перемешивания, как бы отдельными слоями. Такое течение называется струйчатым, а режим движения ламинарным (от латинского слова lamina - слой).
Увеличение скорости движения или размеров потока, уменьшение вязкости приводило к нарушению струйчатого течения. Такой режим движения жидкости был назван турбулентным (от латинского слова turbulentus -беспорядочный).
Визуальные наблюдения за сменой режимов движения можно проводить в стеклянной трубе, подкрашивая центральную струйку протекающей жидкости раствором краски (рис. 1). При переходе от ламинарного режима к турбулентному окрашенная струйка искривляется.
Рис. 1. Режимы движения жидкости.
На режим движения жидкости влияют: скорость движения жидкости, физические свойства жидкости (вязкость, плотность) и поперечные размеры потока. Характеристикой режимов движения является безразмерный критерий, называемый числом Рейнольдса и обозначаемый символом Re.
Re
=
,
где: ρ - плотность жидкости;
-
средняя скорость движения жидкости;
-
динамический коэффициент вязкости;
I - характерный линейный размер потока;
ν - кинематический коэффициент вязкости.
Под величиной I обычно подразумевают диаметр трубопровода d, гидравлический радиус R или глубину открытого потока.
Вязкость жидкости зависит от температуры - с увеличением температуры кинематический коэффициент вязкости уменьшается (табл. 1).
Значение числа Рейнольдса, соответствующее переходу ламинарного движения в турбулентное называется критическим. По исследованиям немецкого гидравлика Шиллера принимается (см2/с) Re кр= 2320.
Таблица 1. Значение кинематического коэффициента вязкости γ для воды.
|
Температура, ºС |
Величина ν |
Температура, ºС |
Величина ν | ||
|
См2/с |
м2/с |
См2/с |
м2/с | ||
|
0 5 6 7 8 9 10 |
0,0179 0,0152 0,0147 0,0143 0,0139 0,0135 0,0131 |
1,79×10-6 1,52×10-6 1,47×10-6 1,43×10-6 1,39×10-6 1,35×10-6 1,31×10-6 |
11 12 13 14 15 20 25 |
0,0127 0,0124 0,0121 0,0118 0,0115 0,0101 0,009 |
1,27×10-6 1,24×10-6 1,21×10-6 1,18×10-6 1,15×10-6 1,01×10-6 0,90×10-6 |
Границы существования того или иного режима движения жидкости определяются двумя критическими числами Рейнольдса - верхним критическим числом Reкр.в..=13800 и нижним Reкр.н= 2320 (числа Re подсчитаны по диаметрам труб). При верхнем критическом числе Рейнольдса ламинарный режим переходит в турбулентный, а при нижнем критическом числе турбулентный режим переходит в ламинарный. Между нижним и верхним критическими числами находится так называемая переходная область, где возможны оба режима движения.