Режимы течения жидкостей

Исследование вопроса о механизме движения приводит к заключению о существовании двух различных, резко отличающихся друг от друга режимов движения.

Движение жидкости, наблюдаемое при малых скоростях, при котором отдельные струйки жидкости движутся параллельно друг другу и оси потока, называют ламинарным или струйчатым движением (режимом). Ламинарное движение можно рассматривать как движение отдельных слоев жидкости, происходящее без перемешивания частиц.

Второй вид движения жидкости, которое наблюдается при больших скоростях, называется турбулентным движением (режимом). В этом случае в движении жидкости нет видимой закономерности. Отдельные частицы перемешиваются между собой и движутся по причудливым все время изменяющимся траекториям сложной формы. Поэтому такое движение иногда называют беспорядочным. Несмотря на кажущуюся, на первый взгляд беспорядочность движения, и при турбулентном режиме имеют место определенные закономерности.

Рейнольдс установил, что основными факторами, определяющими характер режима, являются: средняя скорость движения жидкости , диаметр трубопровода d, плотность жидкости , абсолютная вязкость жидкости . При этом, чем больше размеры поперечного сечения и плотности жидкости и чем меньше ее вязкость, тем легче при увеличении скорости осуществить турбулентный режим.

Для характеристики режима движения жидкости Рейнольдсом был введен безразмерный параметр Re, учитывающий влияние перечисленных выше параметров, называемый числом (или критерием) Рейнольдса, Так как отношение , где - кинематическая вязкость жидкости, формулу можно записать в виде

Границы существования того или иного режима движения жидкости определяются двумя критическими значениями числа Рейнольдса: нижним критическим числом Re_кр.н. и верхним критическим числом Re_кр.в; значения скорости, соответствующие этим значениям Re, также называются критическими. При значении числа Рейнольдса Re<Re_кр.в возможен только ламинарный, а при Re>Re_кр.н - только турбулентный режимы; при Re_кр.н<Re<Re_кр.в наблюдается неустойчивое состояние потока. Таким образом, для определения характера режима необходимо в каждом отдельном случае вычислить число Рейнольдса и сопоставить его с критическими значениями.

В опытах Рейнольдса значения Re_кр были следующими: Re_кр.н=2000, Re_кр.в=12000. Многочисленные эксперименты, проведенные в более позднее время, показали, однако, что критические числа Рейнольдса не являются вполне постоянной величиной и что в действительности при известных условиях неустойчивая зона может оказаться значительно шире. В настоящее время при практических расчетах принято исходить только из одного критического значения числа Рейнольдса, принимаемого Re_кр=2300, считая, что при Re<2300 всегда имеет место ламинарный, а при Re>2300 - всегда турбулентный режимы. Могут быть получены значения Re_кр также для сечения любой формы. Имея в виду, что при круговом сечении гидравлический радиус , подставим в формулу для Re вместо d его значение, равное .Тогда получим формулу для числа Рейнольдса, выраженного через гидравлический радиус, откуда Принимая для критического значения числа Рейнольдса независимо от формы живого сечения величину Re_кр=2300, находим, что для сечения любой формы критерием для суждения о характере режима движения является величина, равная Таким образом, если режим ламинарный, режим турбулентный. На практике в большинстве случаев (движение воды в трубах, каналах, реках)приходится иметь дело с турбулентным режимом. Ламинарный режим встречается реже. Он наблюдается, например, при движении в трубах очень вязких жидкостей, что иногда имеет место в нефтепроводах, при движении жидкостей в очень узких (капиллярных) трубках и в порах естественных грунтов (нефти - в нефтеносных и воды - в водоносных пластах).