3.5 Ламінарний та турбулентний режими руху рідини

Спостереження свідчать, що існує два режими руху рідини: ламінарний і турбулентний.

Ламінарний режим – це режим руху, коли рідина рухається повільно, окремими шарами та струминками, без перемішування, рух упорядкований.

Турбулентний режим – це режим руху рідини, який характеризується інтенсивним перемішуванням частинок рідини, рух невпорядкований.

Найбільш докладні досліди по вивченню режимів руху рідини зробив англійський фізик Рейнольдс, який опублікував свої дослідження у 1883 році.

Розглянемо методику досліджень (рисунок 3.11).

Рисунок 3.11

Рідина з бака А витікає через скляну трубку В, у кінці якої встановлений кран С для регулювання витрати і швидкості. Водночас з бачка D трубкою меншого діаметра в бак подають фарбу. При невеликому відкритті крана С вода рухається по трубці В з відносно малою швидкістю, а фарба в цій трубці рухається у вигляді тоненької струминки без перемішування з потоком. Це ламінарний рух.

При більшому відкритті крана С і збільшенні швидкості протікання води в трубці характер руху змінюється (рисунок 3.12).

Рисунок 3.12

При деякому значенні швидкості струминка стає хвилястою, а її контури нестійкими (рисунок 3.12 а). При подальшому збільшенні швидкості в струминці виникають розриви (рисунок 3.12 б), а далі - повне руйнування струминки, внаслідок чого фарба повністю перемішується в трубці В (рисунок 3.12 в). Рух стає турбулентним.

При зворотному зменшенні швидкості руху рідини режим знову стає ламінарним, але цей перехід відбувається при меншій швидкості, ніж перехід від ламінарного режиму до турбулентного. З урахуванням, що у потоці рідини головними діючими силами є сили інерції та сили в’язкості, Рейнольдс дійшов до висновку, що на характер режиму руху рідини впливає співвідношення цих сил. Тобто, якщо перемагають сили в’язкості, режим руху рідини буде ламінарним; якщо перемагають сили інерції – турбулентним.

Крім того, Рейнольдс дійшов до висновку, що існує таке критичне число, що відмежовує ламінарний режим руху від турбулентного. Це число називають критерій Рейнольдса (інакше – число Рейнольдса):

, (3.9)

де - характерна швидкість;

- відповідний характерний лінійний розмір;

- кінематична в’язкість рідини.

Наприклад:

а) для круглої циліндричної труби

,

де - діаметр трубки;

б) для відкритих каналів

,

де - гідравлічний радіус;

в) для радіального зазору між двома циліндрами

,

де - величина радіального зазору;

г) для течії на виході з робочого колеса гідромашини

,

де - зовнішній діаметр робочого колеса.

Турбулентний режим переходить у ламінарний при нижньому критичному числі Рейнольдса, а ламінарний режим переходить у турбулентний при верхньому критичному числі Рейнольдса. Відповідні критичним числам Рейнольдса швидкості мають несталі значення, тому на практиці для руху води в трубці критичне число Рейнольдса дорівнює 2320; для відкритих каналів критичне число Рейнольдса знаходиться в діапазоні від 300 до 700.

На практиці ламінарний режим встановлюється в капілярних трубках при малих швидкостях руху, при русі між частинками ґрунту (фільтрація) або при русі рідини з великою в’язкістю (нафта, олія і т.д.). У системах водопостачання і водовідведення, як правило, встановлюється турбулентний режим руху.