Режимы движения жидкости
Впервые в 1839 г. существование двух режимов движения жидкости установил немецкий инженер-гидротехник Готтхильф Хаген (1797 – 1884). Независимо от Хагена несколько позже к таким выводам в 1880 г. пришел Д.И. Менделеев. Наиболее полно исследовал режимы течения Осборн Рейнольдс. В жидкость, которая текла в прозрачной трубке, он впускал струйку окрашенной жидкости. При малых скоростях движения струйка окрашенной жидкости не размывалась и не смешивалась с основной жидкостью (рис. 4.5, а). Такое движение было названо слоистым или ламинарным (от лат. lamina – слой). Ламинарным называется слоистое течение жидкости без перемешивания (перемещения частиц жидкости из одного слоя в другой) и без пульсации скорости и давления. Линии тока при этом параллельны оси движения потока. Ламинарное движение может быть как установившимся, так и неустановившимся.
Турбулентным называется течение, при котором происходит интенсивное перемешивание жидкости, наблюдается пульсация скорости и давления.
Проведя большое количество исследований для различных диаметров труб, Рейнольдс установил, что величина критической скорости uкр прямо пропорциональна кинематической вязкости ν и обратно пропорциональна диаметру трубы d, т.е.
Он также установил, что коэффициент пропорциональности k одинаков для всех жидкостей, газов и любых диаметров труб. В честь его работ это безразмерное число k (критерий перехода от одного режима к другому) названо – критическим числом Рейнольдса Reкр:
Многочисленные опыты, проведенные также и другими исследователями, показали, что для труб круглого сечения Reкр ≈ 2300. Таким образом, число Рейнольдса позволяет определить расчетным путем режим движения жидкости или газа. Для этого необходимо определить число Рейнольдса Re= u d/ν и сравнить его с критическим числом. Когда Re< Reкр имеет место ламинарный режим течения, при Re> Reкр – турбулентный. Как отмечалось выше, Reкр ≈ 2300 соответствует нижней критической скорости uкр.н. Поэтому строго говоря, развитое турбулентное течение устанавливается только при Re > 4000, а в диапазоне Re = 2300… 4000 имеет место переходная область. Если живое сечение потока является некруглым, то при расчете числа Рейнольдса используется гидравлический диаметр Dг:
Для потоков с некруглым живым сечением критическое число Рейнольдса находится в пределах Reкр =1800…4000 [4, с.86]. В трубопроводах систем отопления, вентиляции, водоснабжения, газоснабжения и др. движение жидкости (газа), как правило, является турбулентным, поскольку движущаяся среда имеет невысокую вязкость [1, с.154].
5 динамика жидкости и газа
|