1.2. Ламинарный и турбулентный режимы течения жидкости

Рассмотрим особенности движения несжимаемой жидкости. Объемный расход жидкости Q измеряется в м³/с и равен Q = Sv, где S — площадь поперечного сечения канала, м², v — средняя по сечению скорость жидкости, м/с. Для течений, близких к одномер­ным, условие сохранения объемного расхода, протекающего через сечения 1 и 2, записывается в виде формулы v₁S₁=v₂S₂₉ выражающей факт, что в канале переменного сечения средние скорости обратно пропорциональны площадям сечений.

В 1880 г. Д. И. Менделеевым было высказано предположение о существовании двух отличающихся друг от друга режимов тече­ния. В 1883 г. О. Рейнольдсом экспериментально были изучены эти режимы. Опыты показали, что при невысоких скоростях наблюдает­ся ламинарное (слоистое) течение без перемешивания частиц и пуль­саций скорости (от лат. lamina — пластинка, полоска). Причем от­сутствуют поперечные перемещения жидкости в процессе ее течения, частицы жидкости перемещаются почти по параллельным траек­ториям. При постоянном перепаде давления течение имеет стационарный (независящий от времени) режим.

Другим, наблюдаемым при значительных скоростях, является течение, в котором частицы жидкости перемещаются по достаточно сложным траекториям. Скорости движения меняются по величине и направлению, поэтому в потоке возникают вихри, слои жидкости перемешиваются и отдельные частицы совершают неупорядочен­ные хаотические движения по сложным траекториям. Такое течение называется турбулентным (от лат. turbulentus — бурный, беспорядочный; может переводиться как возмущенное). Если в турбулентном потоке пустить по течению капельку краси­теля, то окрашивается все сечение потока.

О. Рейнольдсом было установлено, что ламинарный режим тече­ния происходит при малых скоростях течения, малых поперечных размерах потока, малых плотностях и больших коэффициентах вязкости. Турбулентные режимы течения характеризуются большой скоростью, большим поперечным размером и малой вязкостью текущей среды. Рейнольдсом было введено число, названное впос­ледствии числом Рейнольдса, в виде комплекса

Re=vdp/м

где v— скорость, d — диаметр поперечного сечения потока, р — плотность, м — коэффициент вязкости. При числах Re меньших 2300 течение обычно бывает ламинарным, а при числах Re больших 2300 — турбулентным. Критическое число Рейнольдса зависит от формы поперечного сечения канала.

Примером турбулентного течения является процесс вытекания газообразных продуктов сгорания из трубы котельной или печной трубы.

Пример ламинарного течения — это истечение воды из крана умывальника, если открыть очень малую струйку воды. Большинст­во течений, окружающих нас в природе, турбулентные. Ламинарные течения встречаются только в очень узких каналах, какими являют­ся капилляры кровеносных сосудов человека, или при течениях жидкостей с большой вязкостью в трубопроводах (например, мазу­та). Число Рейнольдса является величиной, пропорциональной от­ношению сил инерции к силам вязкости. Вязкость — свойство жид­кости в случае прямолинейного слоистого движения сопротивлять­ся скольжению (или сдвигу) ее слоев относительно друг друга. В физической системе единиц Гаусса, использующей в качестве основных единиц: длину в см, массу в г и время в секундах, единицей вязкости является пуаз (Пз).

1 Пз = 1 г/(1 см*1 с).

Вязкость воды составляет 0,01 Пз = 1 сантипуаз = 1 сПз.

В этом случае выражение для числа Рёйнольдса принимает вид

Re=vd/v;

В системе СИ коэффициент кинематической вязкости для воды при температуре 20 °С

v=10-⁶,m²/c.

В физической системе единиц Гаусса коэффициент кинематичес­кой вязкости v выражается в см²/с и кинематическая вязкость воды близка к v=0,01 см²/с, что равно 0,01 стокса (Ст) или одному сантистоксу 0,01 Ст= 1 сСт.