3.3. Ламинарный и турбулентный режимы течения вязкой жидкости

Особый интерес в технике представляет движение вязкой жидкости в трубе. Понять качественные особенности этого движения можно на опытах, которые в 1876-1883 г.г. провел известный английский ученый физик Осборн Рейнольдс. В длинную стеклянную трубку подавалась вода, расход которой мог уменьшаться и увеличиваться. В начальном сечении трубки, по ее оси, устанавливался капилляр, через который в поток вводилась тонкая струйка красящего вещества. В процессе эксперимента плавно увеличивали расход жидкости и наблюдали поведение окрашенной центральной линии тока (рис. 3.4).

Результаты наблюдений состояли в следующем: при изменении расхода от 0 до некоторого значения окрашенная линия тока располагалась строго по центру трубки и ярко выделялась на фоне прозрачной жидкости. Однако при дальнейшем увеличении расхода подкрашенная линия сначала начинала медленно колебаться, потом эти колебания увеличивались и, наконец, линия тока распадалась, разрушенная возникшими в жидкости пульсациями и вихрями. Когда этот эксперимент проделывался в обратном порядке, то есть расход жидкости уменьшался, то постепенно течение успокаивалось, и вновь четкая струйка тока устанавливалась по оси трубы.

Рис. 3.4. Опыты Рейнольдса

Опыты Рейнольдса демонстрируют важное явление, проявляющееся и в других областях физики, в том числе, механики - явление устойчивости того или иного процесса по отношению к небольшим возмущениям. Для того чтобы качественно понять, что такое устойчивость, обратимся ко всем известному опыту. Если из совершенно одинаковых кубиков строить башню, помещая один кубик на другой, то скоро выяснится, что башню можно построить лишь только до определенной высоты. С каждым вновь положенным кубиком становится все тяжелее положить следующий кубик. И, наконец, происходит потеря устойчивости - башня разрушается.

Что же происходит в этом процессе? Из теоретической механики известно, что условие равновесия в данном случае состоит в том, чтобы центр тяжести башни проектировался на площадь опоры. Пока башня невысока, это условие выполняется с запасом, и оно не нарушается небольшими отклонениями (возмущениями), вызванными случайными причинами – колебаниями опоры, неоднородностью материала, из которого сделаны, кубики, движением воздуха в помещении, упругостью кубиков и т.п. Возникающие возмущения гасятся возвращающими моментами реакции опоры, и башня остается устойчивой. Когда же башня достигает определенной высоты, достаточно небольших колебаний, чтобы нарушить равновесие кубиков друг на друге и разрушить башню.

При течении жидкости в трубопроводе также имеются всякого рода возмущения, идущие от шероховатых стенок трубы или происходящие по другим причинам. Однако при малых скоростях силы вязкого трения слоев жидкости друг о друга гасят эти возмущения, и режим течения существенным образом. не нарушается. Оказывается, однако, что при больших скоростях достаточно незначительных возмущений, чтобы разрушить структуру течения.

Плавное течение, которое наблюдалось в опытах Рейнольдса, называют ламинарным течением, а сменившее его бурное, вихревое течение - турбулентным. Причина возникновения турбулентности - потеря гидродинамической устойчивости.