Контрольные вопросы

1. Форма свободной поверхности жидкости во вращающемся сосуде?

2. Какие силы действуют на жидкость во вращающемся сосуде? Чему они равны?

3. Какие силы действуют на неподвижную жидкость?

4. Гидростатическое давление, основное уравнение гидростатики.

5. Экспериментальная установка.

Лабораторная работа № 3

ОПРЕДЕЛЕНИЕ РЕЖИМОВ ДВИЖЕНИЯ ЖИДКОСТИ

Задание

1. Установить режим движения жидкости в трубе двумя способами:

а) путем визуального наблюдения;

б) на основе обработке опытных данных.

2. Сравнить результаты определения режима движения жидкости визуальным и расчетными методами.

Пояснение к работе

При протекании жидкости по трубам и каналам могут иметь место два различных по своему характеру режима движения: ламинарный и турбулентный.

Ламинарный – такой режим, при котором поток жидкости движется так, что элементарные струйки не перемешиваются (двигаются параллельно).

Турбулентный – такой режим, в котором элементарные струйки пересекаются и перемешиваются, а траектории отдельных частиц представляют сложные линии.

Ламинарный режим наблюдается преимущественно при движении жидкостей повышенной вязкости.

Свойство жидкости оказывать сопротивление перемещению ее частиц и развивать при движении внутренние касательные напряжения называется вязкостью. Вязкость зависит от рода жидкости, распределения скоростей между отдельными ее слоями, температуры и давления.

Отношение силы внутреннего трения к единице площади трущихся слоев называется касательным напряжением .

Характер движения жидкости зависит от скорости , диаметра трубыd, плотности ρ и вязкости жидкости. Он однозначно определяется безразмерным выражением, составленным из этих величин, которое называется критерием Рейнольдса:

или

,

где - кинематический коэффициент вязкости, определяемый, с учетом температуры, по эмпирической формуле Пуазейля:

,

где t – температура воды, °С.

При малых числах Рейнольдса (Re ≤ 2320) имеет место только ламинарный режим движения жидкости. При Re > 4000 возможен только устойчивый турбулентный режим движения.

Значения Re = 2320 и Re = 4000 соответственно называются нижним и верхним критическими числами Рейнольдса. В диапазоне Re = 2320 – 4000 могут наблюдаться и ламинарный и турбулентный режимы. Эта зона называется зоной неустойчивых режимов или переходной.

Определение режима движения жидкости имеет важное значение, так как потери напора в трубах зависят от режима, что необходимо учитывать при гидравлическом расчете трубопроводов.

Экспериментальная установка

В экспериментальной установке (рис. 3.1) вода из верхнего бачка 6 по стеклянной трубке 2 c диаметром d=16 мм поступает в нижний мерный бачок 8, из которого уходит на слив. В стеклянную трубку введена тонкая трубка 9, по которой поступает краситель из бачка. Для настройки и регулировки служат вентили 1, 3, 4, 5.

Рис. 3.1. Общий вид и схема установки

Последовательность проведения опыта

Поворотом рукоятки 5 против часовой стрелки открыть вентиль и наполнить бак 6 водой. Уровень воды в баке 6 поддерживается постоянным благодаря переливной трубке 7.

Далее открыть вентиль 3, приоткрыть вентиль 4, при этом вода движется по стеклянной трубке 2 с небольшой скоростью. Открывая вентиль 1, необходимо отрегулировать поступление краски в стеклянную трубку так, чтобы скорость выпускаемой краски была примерно одинакова со скоростью воды.

Струйчатое движение краски в трубке будет свидетельствовать о наличии ламинарного потока в стеклянной трубке. Измерить температуру воды в бачке 6.

Объемным способом измерить расход воды в стеклянной трубке. При закрытии вентиля 3 будет наполняться мерный бак. После некоторого произвольного наполнения бачка произвести отсчет по шкале указателя уровня с одновременным включением секундомера. Через некоторое время снова произвести замер по шкале и выключить секундомер. Пользуясь тарировочным графиком (рис 3.2), определить расход воды в стеклянной трубке.

W,

n

Рис. 3.2. Тарировочный график

После измерений объема вентиль 3 открыть. Медленно открывая вентиль 4 установить новый, несколько больший расход воды и все измерения повторить. При определенном положении вентиля окрашенная струйка начнет размываться, а затем растворится, что свидетельствует о переходе на турбулентный режим. Произвести замеры и при таком состоянии потока. Рекомендуется провести 2 – 3 замера в ламинарной, 2 – 3 в переходной и 2 – 3 в турбулентной зоне с постоянным увеличением от опыта к опыту скорости, а следовательно, и критерия Re жидкости. Все данные измерений занести в табл. 3.1.

Таблица 3.1

№ опыта	Температура воды t,oC	Кинематический коэффициент вязкости ν, м2/сек	Значение по шкале указателя уровня		Объем воды м3		Время наполнения бака t, с	Расход воды Q= (W2–W1)/t, м3/с	Скорость жидкости v=Q/ω, м/с	Число Рейнольдса Re=v•d/ν	Характер движения воды
			n1	n2	W1	W2

После проведения опытов прекратить подачу воды в бачок 6, слить воду и краску из установки.

По измеренной температуре, пользуясь формулой Пуазейля, определить кинематический коэффициент вязкости воды.

По тарировочному графику и замерам в мерном баке определяется расход воды Q, а затем скорость жидкости и критерий Рейнольдса.

По значениям вычисленных величин делается заключение о соответствии расчетных данных визуальным наблюдениям.