Вопрос 8.
Назовите режимы движения жидкостей. Определите факторы, влияющие на режим движения реальных жидкостей. Охарактеризуйте режимы движения вязких жидкостей. Скорректируйте формулу определения эквивалентного диаметра для кольцевого и прямоугольного сечения трубопровода.
В природе существуют два режима движения жидкости: ламинарный, и турбулентный. Существование того или иного режима движения определяется поведением частиц жидкости.
Смена режимов движения жидкости определяется отношением сил инерции к силам вязкости в потоке жидкости. Если преобладают первые, то режим движения турбулентный, если вторые - ламинарный. Турбулентные потоки возникают при высоких скоростях движения жидкости и малой вязкости, ламинарные потоки возникают в условиях медленного течения и в вязких жидкостях.
Характер
движения жидкости зависит от средней
скорости движения жидкости, от диаметра
трубы и от вязкости жидкости,
причём
при увеличении вязкости жидкости для
смены режима течения жидкости требуется
большая скорость.
Переход одного вида движения в другой
происходит при определенном значении
комплекса перечисленных величин,
называемого критерием Рейнольдса:
Критерий Рейнольдса является безразмерной
величиной. Величина Re
называется
критическим значением критерия
Рейнольдса. Для прямых труб Re
Движение жидкости в прямых трубах при
Re
является устойчивым ламинарным. При
Re
движение турбулентно, однако устойчивый
турбулентный характер оно приобретает
при Re
В пределах Re
от 2300 до 10 000 турбулентное движение
является недостаточно устойчивым
(переходная область)
При наблюдении за движением жидкости в трубах и каналах, можно заметить, что в одном случае жидкость сохраняет определенный строй своих частиц, а в других - перемещаются бессистемно. Однако исчерпывающие опыты по этому вопросу были проведены Рейнольдсом в 1883 г. На рис. изображена установка, аналогичная той, на которой Рейнольдс производил свои опыты.
Рис. Схема установки Рейнольдса
Установка состоит из резервуара А с водой, от которого отходит стеклянная труба В с краном С на конце, и сосуда D с водным раствором краски, которая может по трубке вводиться тонкой струйкой внутрь стеклянной трубы В.
Первый случай движения жидкости. Если немного приоткрыть кран С и дать возможность воде протекать в трубе с небольшой скоростью, а затем с помощью крана Е впустить краску в поток воды, то увидим, что введенная в трубу краска не будет перемешиваться с потоком воды. Струйка краски будет отчетливо видимой вдоль всей стеклянной трубы, что указывает на слоистый характер течения жидкости и на отсутствие перемешивания. Если при этом, если к трубе подсоединить пьезометр, то они покажут неизменность давления и скорости по времени. Такой режим движения называется ламинарный.
Второй случай движения жидкости. При постепенном увеличении скорости течения воды в трубе путем открытия крана С картина течения вначале не меняется, но затем при определенной скорости течения наступает быстрое ее изменение. Струйка краски по выходе из трубки начинает колебаться, затем размывается и перемешивается с потоком воды, причем становятся заметными вихреобразования и вращательное движение жидкости. Пьезометр при этом покажет непрерывные пульсации давления и скорости в потоке воды. Такое течение называется турбулентным (рис., вверху).
Если уменьшить скорость потока, то восстановится ламинарное течение.
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.
Ламинарный режим движения встречается чаще всего при движении по трубам жидкостей с большой вязкостью (нефти, нефтепродуктов и т.д.), а также при движении воды в тонких капиллярных трубках и порах грунта.
Турбулентный режим встречается в большинстве случаев гидротехнической и гидромелиоративной практики (движение воды в трубах, каналах, реках и т.п.).
В качестве определяющего линейного размера l при движении жидкости через поперечное сечение каналов любой формы, отличной от круглой, принимают гидравлический радиус или эквивалентный диаметр.
Эквивалентный диаметр dЭ – это учетверенный гидравлический радиус.
Или эквивалентный диаметр равен диаметру трубопровода круглого сечения, для которого отношение S (площадь) к П (периметр) имеет то же значение, что и для данного трубопровода некруглого сечения.
1.
Для канала кольцевого поперечного
сечения:
2.
Для канала прямоугольного сечения:
