Работа 2. Изучение режимов движения жидкости

[1, ч. 2; 2]

Опытами установлено, что режим потока может существенно меняться с изменением различных его параметров. Если отдельные слои, струйки жидкости или газа перемещаются, не смешиваясь между собой, то режим движения потока называется ламинарным. Если частицы жидкости движутся хаотично и течение сопровождается массообменом между слоями (струйками), то режим движения называется турбулентным.

Влияние параметров потока в трубе на переход от одного режима движения к другому было установлено опытами Рейнольдса. Критерием режима течения является комплекс величин, который носит название критерия Рейнольдса и для трубопроводов имеет следующий вид:

(2.1)

где - средняя скорость движения жидкости или газа; d - диаметр трубы; - плотность жидкости или газа; и - соответственно динамический и кинематический коэффициенты вязкости жидкости или газа.

Существует некоторое критическое значение числа Рейнольдса характеризующее границу перехода от одного режима движения жидкости к другому.

Следует иметь в виду, что в различных условиях критическое значение числа Рейнольдса, строго говоря, не одинаково. Так, например, оно снижается, если труба, ограничивающая поток, подвержена вибрациям или если в потоке имеется источник возмущения; при переходе от ламинарного режима к турбулентному число Рейнольдса выше, чем при обратном переходе и т.д. Для движения потоков жидкости в трубах

Цель работы: визуальное наблюдение за движением жидкости в стеклянной трубке и вычисление критерия Рейнольдса для наблюдаемых режимов.

Для визуального наблюдения в поток жидкости вводится струйка подкрашенной жидкости, которая при ламинарном режиме движется в виде отдельной струйки, а при турбулентном размывается в потоке.

Описание установки

Э кспериментальная установка (рис. 2) состоит из двух металлических баков 2 и 9, соединенных стеклянной трубой 13. Поток по ней движется из бака 9 в бак 2. Поступление воды из водопровода в бак 9 регулируется краном 8. Регулирование расхода воды в трубе 13 осуществляется краном 1. Для обеспечения устойчивого движения потока по трубе 13 необходимо, чтобы перепад уровней жидкости в баках 2 и 9 оставался во время каждого замера одинаковым. С этой целью в баке 9 установлен водослив 7 со сливной трубой 11. Водослив позволяет сбрасывать излишки воды и тем самым обеспечивать постоянство уровня воды на входе в стеклянную трубу 13. Для контроля уровня воды в баке 9 служит водомерная трубка 12. С целью снижения начальной степени возмущений потока при входе в трубу бак 9 разделен перегородкой 10, позволяющей существенно успокоить поток перед входом в трубу.

Для наблюдений структуры потока при различных режимах его движения в трубу 13 по трубке 5 из бачка 3 вводится подкрашенная жидкость, обладающая почти такими же свойствами, что и вода. Поступление подкрашенной жидкости через загнутый под прямым углом конец трубки 5 в трубу 13 регулируется краником 4.

Температура воды при определении кинематического коэффициента вязкости измеряется термометром 6.

Расход движущейся жидкости в трубе 13 определяется отношением объема воды в мерном баке 14 к времени его заполнения. Объем воды в мерном баке 14 определяется произведением площади его поперечного сечения (S_б = 0,475 м²) и разностей уровней жидкости в водомерной трубке 15. Время заполнения бака 14 фиксируется секундомером. Опорожнение осуществляется открытием крана 16.

Порядок выполнения работы

При выполнении этой лабораторной работы производится три опыта, в каждом из которых необходимо сделать по три замера.

Первый опыт.

1. Открытием кранов 1 и 4 создается ламинарный режим движения жидкости (подкрашенная струйка по всей длине трубы 13 не размывается).

2. Наполнив бак 14 на заданный преподавателем уровень, остановить секундомер и закрыть кран 16.

3. Произвести замер объема воды в баке 14.

4. Измерить температуру воды в баке 9.

5. Записать время заполнения бака, объем воды и ее температуру.

Все замеры при этом режиме произвести еще два раза. При замерах кран 4 можно перекрыть.

Второй опыт.

1. При открытом кране 4 медленно открывать кран 1, постепенно увеличивая скорость воды в трубке 13 до тех пор, пока подкрашенная струйка не приобретет волнообразную форму.

2. Повторить п.п.2, 3, 5 и 6 первого опыта.

Третий опыт.

1. Постепенно открывая кран 1, увеличивать скорость воды в трубе 13 до полного размыва струйки подкрашенной жидкости (развитый турбулентный режим).

2. Повторить п.п. 2, 3, 5 и 6 первого опыта.

Формулы и данные для вычислений

Расход воды:

(2.2)

где W_i - объем воды в мерном баке при i - м измерении, м³; t_i - время заполнения бачка при i - м измерении, с.

Средний расход воды в каждом из опытов:

. (2.3)

Кинематический коэффициент вязкости вычисляется методом интерполяции по формуле:

(2.4)

где - измеренное значение температуры воды; и - соответственно температуры, для которых является промежуточной и которым соответствуют следующие значения кинематического коэффициента вязкости:

, 0С	, см2/с	, 0С	, см2/с
0	0,0178	15	0,0114
5	0,0152	20	0,0101
10	0,0131	30	0,0084
12	0,0124	40	0,006

и - соответственно значения кинематических коэффициентов вязкостей воды, соответствующие значениям температур и .

Число Рейнольдса для каждого из режимов вычисляется по формуле (2.1) или по формуле:

, (2.5)

где d - внутренний диаметр стеклянной трубы стенда.

Опытные и расчетные величины

Номер опыта	Номер измерения	, c	, м3	, м3/с	, м3/с	, ˚С	, м2/с		Режим движения
1	2	3	4	5	6	7	8	9	10

Указания к самостоятельной работе.

1 . Вычислить скорость воды в трубе, при которой происходит изменение режима течения. Определить, как она изменится, если увеличить диаметр трубы в три раза, а затем нагреть воду до 40 °С.

2. Вычислить скорость воздушного потока, при которой происходит изменение режима движения, если температура = 40 °С, а труба имеет диаметр 80 мм.