Министерство образования Российской Федерации

Магнитогорский государственный технический университет им. Г.И. Носова

Кафедра химической технологии неметаллических

материалов и физической химии

Определение режима движения жидкости

Методические указания

к лабораторной работе по дисциплине «Процессы и аппараты химической технологии» для студентов специальности 240403 всех форм обучения

Магнитогорск

2009

Составители: Вейнский В.В., Горохов А.В.

Определение режима движения жидкости. Методические указания к лабораторной работе по курсу «Процессы и аппараты химической технологии» для студентов специальности 240403 всех форм обучения. Магнитогорск, изд. МГТУ им. Г.И. Носова, 2009, 9 с.

© Вейнский В.В.,

Горохов а.В., Цель работы

Визуальное наблюдение режима движения жидкости. Определение режима движения жидкости по численному значению критерия Рейнольдса.

1. Теоретическая часть

1.1 Основные характеристики движения жидкости

1.1.1. Скорость протекания и расход жидкости

Количество жидкости, протекающей через поперечное сечение потока в единицу времени называется расходом жидкости. Различают объемный расход – м³/c, м³/ч и массовый расход – кг/с, кг/ч.

В разных точках поперечного сечения потока скорость частиц жидкости неодинакова. Максимальная скорость наблюдается по оси потока, по мере приближения к стенкам она уменьшается. Но можно допустить, что частицы движутся с одинаковой скоростью по всему сечению, такую условную скорость называют средней.

Зависимость между расходом, поперечным сечением потока и скоростью протекания выражается уравнением расхода

Vсек = f*w (1)

где Vсек – расход жидкости, м³/с;

w - средняя скорость протекания, м/с;

f - поперечное сечение потока, м ².

Массовый расход жидкости определяется произведением

G = f*w*, (2)

где - плотность жидкости, кг/м ^3..

Величина w* представляет собой массовую скорость жидкости (кг/м²с).

1. W= w* (3)

3. 1.1.2. Режим движения жидкости

При течении реальной жидкости режим ее движения может быть ламинарным или турбулентным. При ламинарном режиме жидкость движется параллельными струйками не смешивающимися друг с другом. Струйки обладают различными скоростями, но скорость каждой струйки постоянна и направлена вдоль оси потока. Такой режим наблюдается при малых скоростях или значительной вязкости жидкостей.

При ламинарном движении скорость частиц по сечению трубы изменяется по параболе от нуля у стенок трубы, до максимума на ее оси. У стенки скорость в пограничном гидродинамическом слое принимается равной нулю. Наличие пограничного слоя у стенок трубопровода обусловлено вязкостью жидкости и шероховатостью стенок трубопровода. Средняя скорость жидкости равна половине максимальной.

При турбулентном режиме частицы жидкости движутся с большими скоростями в различных направлениях, по запутанным, хаотическим траекториям, в то время как вся масса жидкости в целом перемещается в одном направлении. В каждой точке потока происходят быстрые изменения скорости во времени - пульсации скорости. Однако значение мгновенных скоростей колеблется вокруг некоторой осредненной скорости.

Распределение скоростей по сечению также близко к параболе, но кривая имеет более широкую вершину. Кроме того, при турбулентном потоке профиль скоростей выражает распределение не истинных, а осредненных во времени скоростей.

Средняя скорость при турбулентном движении:

W = 0,85*Wmax (4)

Среднюю скорость не следует путать с осредненной. Осредненная представляет собой среднюю скорость во времени в данной точке. Средняя скорость является осредненной для всего поперечного сечения трубопровода.

При турбулентном режиме различают основную массу жидкости, называемуюядром потока, в которой движение является развитым турбулентным, и гидравлический пограничный слой вблизи стенки, где происходит переход турбулентного движения в ламинарное. Внутри этого слоя имеется тонкий подслой (у стенки трубы ) толщиной δ, где силы вязкости оказывают превалирующее влияние над силами инерции жидкости. Поэтому характер ее течения в подслое в основном ламинарный. Толщина ламинарного подслоя уменьшается с возрастанием турбулентного потока. Турбулентное движение всегда сопровождается ламинарным у стенки трубы.

Характер движения жидкости зависит от средней скорости w, от диаметра d трубы и от кинематической вязкости v жидкости. Переход одного вида движения в другой происходит при определенном значении комплекса перечисленных величин, названного критерием Рейнольдса:

, (5)

, (6)

, (7)

где

w - средняя скорость, м/с;

d – эквивалентный диаметр трубы, м;

v - кинематическая вязкость, м²/с;

 - плотность жидкости, кг/м ³;

 - динамическая вязкость, Па*с;

W - массовая скорость, кг/с м ²;

γ – вес жидкости, Н;

g – ускорение свободного падения, м/с².

Критерий Рейнольдса является безразмерной величиной. Из выражения критерия Re следует, что турбулентное движение возникает с увеличением скорости движения, диаметра трубы и плотности жидкости или с уменьшением вязкости жидкости. Переход от ламинарного к турбулентному движению характеризуется критическим значением Reкр. Для прямых гладких круглых труб Reкр = 2320. Движение жидкости при Re < 2320 является ламинарным. При Re > 2320 чаще всего наблюдается турбулентный характер движения. Однако при 2320 < Re < 10000 режим движения неустойчивый турбулентный, или переходный (смешанный). При Re 10000 турбулентное движение становится устойчивым (развитым). Критерий Re отражает влияние силы трения на движение жидкости. Его величина характеризует отношение инерционных сил к силам трения в подобных потоках.