3. Режими течії рідини.

Багаточисленні спостереження показують, що у природі існує два різних режиму руху рідини – ламінарний (від латинського lamina – шар, пластинка), при якому частки рідини у потоці рухаються упорядковано у вигляді струмків або шарів, які між собою не змішуються і турбулентний (від латинського turbulentus – вихровий), при якому частки рідини рухаються по складним траєкторіям, які весь час змінюються, внаслідок чого відбувається інтенсивне перемішування частинок рідини.

Вже давно було відомо, що в’язкі рідини (мастила) рухаються здебільшого упорядковано, а малов’язкі рідини (вода, повітря) – майже завжди невпорядковано. Ці спостереження дозволили зробити висновок, що ламінарний режим спостерігається при русі в’язких рідин, а також при русі води через капілярні трубки. Рух води у водопровідних трубах, у різного роду напірних трубопроводах, у каналах, річках тощо при швидкостях течії, які звичайно зустрічаються на практиці майже завжди характеризується турбулентним режимом.

Вивчення ламінарного і турбулентного режимів руху має окремий інтерес через те, що втрати питомої енергії істотно залежать від того, в якому режимі відбувається рух рідини: в ламінарному режимі енергія витрачається тільки на поздовжнє переміщення часток рідини вздовж потоку; в турбулентному режимі витрачається додаткова енергія на поперечне переміщення часток рідини, це пов’язано з неупорядкованим характером руху.

Це положення вперше було висловлено у 1880 році великим російським вченим Д.І. Мендєлєєвим у роботі “Про опір рідин і про повітроплавання”, де було вказано на існування видів рідини, які відрізняються різними залежностями дії сил тертя від швидкості руху.

Рис. 2 Схема дослідної установки О. Рейнольдса.

Ясність у питанні про те, як саме буде відбуватися рух рідини у тих чи інших умовах, була внесена у 1883 році дослідним шляхом англійським фізиком Осборном Рейнольдсом.

Установка О. Рейнольдса для дослідження режимів руху рідини представлена на рис. 2. Посудина А заповнюється випробуваної рідиною. До посудини А в нижній її частині приєднана скляна трубка 1 з краном 2, яким регулюється швидкість течії в трубці 1. Над посудиною А розташований бак Б з розчином фарби. Від баку Б відходить трубка 3 з краном 4. Кінець трубки 3 заведений в скляну трубку 1. Поповнення судини А рідиною здійснюється за допомогою трубки 5 з запірним пристроєм 6.

Вимірювання видатку рідини здійснюється завдяки мірному посуду. Відкриваючи частково кран 2 на скляній трубі 1, можна заставити текти рідину із різними швидкостями.

При малих швидкостях руху рідини у трубі підфарбований струмок не розмивається водою, яка його оточує і має вигляд натягнутої нитки. Потік у цьому випадку називається ламінарним.

При збільшенні швидкості руху рідини підфарбовані струмки одержують спочатку хвильовий обрис, а потім майже раптово зникають та розмиваються по всьому перетину труби, фарбуючи всю рідину.

Рух рідини стає неупорядкованим, окремі частки зштовхуються друг із другом та з стінками тощо. Такий рух називається турбулентним.

Цей дослід можна виконати і в зворотному напрямку: починати нагляди з більших швидкостей і постійно зменшувати їх.

Проте, процес переходу одного режиму руху в другий не є зворотним: ламінарний режим переходить у турбулентний при значно більших швидкостях, ніж ті, при яких турбулентний режим переходить у ламінарний.

На основі аналізу результатів експериментальних досліджень та аналізу розмірностей О. Рейнольдс встановив, що критерієм режиму течії рідини є безрозмірна величина, яка являє собою відношення середньої швидкості потоку V і діаметра труби d до кінематичної в’язкості рідини  :

і яку називають критеріальним числом Рейнольдса. По фізичній суті число Re являє собою відношення двох робіт, які діють у рухомій рідині: роботи сил інерції і роботи сил внутрішнього тертя.

Малі значення чисел Re відповідають перевазі роботи сил внутрішнього тертя, а великі значення – перевазі роботи сил інерції.

У результаті експериментів встановлено, що один режим переходить в інший при цілком певній середній швидкості руху потоку. Швидкість, при якій відбувається перехід із одного режиму в іншій, називається критичною. Розрізняють дві критичні швидкості: верхню V_кр.в. і нижню V_кр.н.. При V_кр.в. ламінарний режим переходить у турбулентний, а при V_кр.н. відбувається зворотний перехід. Таким чином межа між ламінарним і турбулентним режимом руху рідини визначаються критичним числом Re_кр.

Сучасними дослідженнями встановлено, що значення Re_кр можуть коливатися у доволі широких межах в залежності від багатьох факторів: умов входу в трубу, шорсткості стінок труби, роду і температури рідини та інших умов.

У розрахунках часто приймають Re_кр (по дослідженням німецького гідравліка Шиллера) для круглих труб в межах приблизно 2320, але ця величина не є універсальною. Так, якщо для руху у прямих трубах Re=2320, то для руху у змійовиках Re_кр=f(d/D), де d – діаметр труби, D – діаметр витка змійовика.

Наприклад, при d/D =0,001 Re_кр=2,2 ^.10³, а при d/D =0,02 Re_кр5 ^.10³. Необхідно підкреслити, що, наприклад, для процесу осадження Re_кр=0,2, для переміщування Re_кр=50 тощо.

Досліди на пристрої Рейнольдса дозволяють встановити зв’язок між втратами енергії і швидкостями руху рідини у трубі, тобто експериментальним шляхом одержати залежність: h_тр=f(V).