3.2. Описание лабораторной установки

Р абота выполняется на стенде ПМЖ-2 с модулем 6. Модуль представляет собой трубу с внутренним диаметром, равным 15 мм, в которой фланцами закреплена диафрагма. Схема установки диафрагмы приведена на рис. 13.

Перед диафрагмой и за ней установлены штуцера, к которым присоединены пьезометры. Разность показаний пьезометров дает возможность определить значение перепада напора h при разных расходах Q_д. Расход жидкости определяется по показаниям ротаметра. Регулирование расхода осуществляется с помощью игольчатого вентиля и вентиля ротаметра.

3.3. Порядок проведения опыта и вычислений

1. Подготовить стенд ТМЖ-2 к работе: включить насос и освободить напорный бак от воздуха.

2. Установить фиксированный расход воды и измерить его с помощью ротаметра.

3. Зафиксировать показания пьезометров.

4. Измерить температуру воды в установке и по табл. 2 определить коэффициент кинематической вязкости.

5. Для выявления зависимости  = (Re) произвести не менее 8 – 10 опытов.

6. По результатам измерений рассчитать скорость воды в трубе и число Рейнольдса в потоке. Данные измерений и расчетов записать в табл. 3.

7. На основе расчетных данных построить график зависимостей  = (Re) и h = h(Q_д).

Таблица 2

Кинематическая вязкость воды

T, °С	0	5	10	15	20	30
ν, м2/c	1,78·10–6	1,52·10–6	1,31·10–6	1,14·10–6	1,01·10–6	0,80·10–6

Таблица 3

Результаты измерений и расчета значения коэффициента расхода мерной диафрагмы

Показатель	Номер опыта
	1	2	3	4	5	6	7	8
Показание первого пьезометра , м
Показание второго пьезометра , м
Разность показаний пьезометров , м
Теоретический расход , м3/с
Действительный расход Qд, м3/с
Скорость воды в трубе , м/с
Температура воды T, С
Кинематичес­кая вязкость воды , м2/с
Число Re в потоке
Коэффициент расхода

Лабораторная работа 4

Исследование режимов движения жидкости

Цель работы: экспериментально убедиться в существовании двух режимов движения жидкости – ламинарного и турбулентного, определить критическое число Рейнольдса.

4.1. Основные теоретические сведения

При движении жидкости в трубах наблюдаются два режима течения: ламинарный и турбулентный. Ламинарным называется режим, при котором струйки жидкости в потоке движутся слоями по прямолинейным или плавно изменяющимся траекториям, не перемешиваясь между собой. При этом силы внутреннего трения гасят возникающую пульсацию и препятствуют переходу частиц жидкости из одного слоя в другой.

Турбулентным называется режим, при котором слоистость движения жидкости нарушена, возникает пульсация различной интенсивности, поток приобретает сильно завихренную структуру. Исследования показали, что затраты энергии в потоке на преодоление гидравлического сопротивления существенно зависят от режима движения жидкости, поэтому изучение режимов и закономерностей, их определяющих, имеет большое значение для практики.

Характеристикой режимов движения жидкости служит безразмерное число Рейнольдса:

,

(16)

где d – диаметр трубы, м;

v – средняя скорость потока, м/с;

ν – коэффициент кинематической вязкости, м²/с.

Смена режима течения жидкости в данной трубе происходит при определенной скорости v_кр, которую называют критической, а число Re, соответствующее критической скорости, называют критическим числом Рейнольдса (Re_кр), которое рассчитывается по формуле:

.

(17)

Различают верхнюю критическую скорость v , соответствующую переходу от ламинарного режима к турбулентному и нижнюю v – от турбулентного к ламинарному, соответственно число Re называется верхним (Re ) и нижним (Re ).

Как показывают опыты, критическое число Re для круглых труб равно 2320.

При значениях Re  2320 течение жидкости считают ламинарным, при Re  Re_кр – турбулентным. Смена режима течения жидкости при достижении Re_кр обусловлена тем, что одно течение теряет устойчивость, а другое – приобретает. При Re  Re_кр ламинарное движение является вполне устойчивым, всякая искусственная турбулизация потока и его возмущение поглощаются под влиянием сил вязкости и ламинарное движение восстанавливается. Турбулентное движение при этом условии неустойчивое.

При Re  Re_кр турбулентное течение устойчивое, а ламинарное – неустойчивое. В связи с этим значение Re_кр, соответствующее переходу от ламинарного течения к турбулентному, может получится несколько большим, чем значение Re_кр для обратного перехода. Однако в этих случаях ламинарное течение оказывается настолько неустойчивым, что достаточно небольшого возмущения, чтобы оно мгновенно превратилось в турбулентное.

Потери напора h_тр по длине трубы при ламинарном режиме пропорциональны первой степени скорости: h_тр = k₁v, где k₁ – коэффициент пропорциональности, зависящий от размеров трубы и свойств жидкости.

При развитом турбулентном движении потери на трение пропорциональны квадрату скорости: h_тр = k₂v². В переходной области h_тр = k₃v^m, где m = 1,75 – 2,00.