Основные сведения. Английский ученый 0.Рейнольдс в 1883 году окончательно установил, что режим (характер) движения жидкости может быть принципиально различным

Английский ученый 0.Рейнольдс в 1883 году окончательно установил, что режим (характер) движения жидкости может быть принципиально различным.

Основой лабораторной установки Рейнольдса (рисунок 3.3) является стеклянная трубка, в которую из бака поступает жидкость. В ее поток через тоненькую трубку подается краситель. Для исключения влияния архимедовой силы краситель имеет тот же объемный вес, что и жидкость, протекающая через стеклянную трубку.

Наблюдая за перемещением красителя, можно судить о режиме движения жидкости. В результате таких наблюдений было установлено, что при малых скоростях потока краситель движется параллельно стенкам трубки, не смешиваясь с окружающей жидкостью. Хорошо видна прямая окрашенная струйка жидкости (рисунок 3.3, б, позиция Ι). Это позволяет сделать вывод, что в данных условиях частицы жидкости движутся по прямолинейным траекториям, создавая как бы отдельные слои или трубки жидкости. Такой режим называется ламинарным.

Если постепенно увеличивать скорость потока жидкости в стеклянной трубке, то можно заметить, что, начиная с некоторой скорости, подкрашенная струйка жидкости примет волнообразное очертание, а затем в струйке появятся разрывы и она потеряет четкую форму (рисунок 3.3, б, позиция Ι Ι). Этот режим называется переходным или неустойчивым.

При дальнейшем увеличении скорости, начиная с некоторого момента, краситель быстро перемешивается, равномерно окрашивая весь поток жидкости. Это говорит о том, что в данном случае частицы жидкости помимо основного направления вдоль трубы двигаются еще хаотично во всех направлениях. При этом местная мгновенная скорость в потоке непрерывно изменяется по величине и направлению, то есть наблюдается пульсация скорости (рисунок 3.3, б, позиция Ι Ι Ι). Такой режим называется турбулентным.

Рисунок 3.3

а) Схема установки: 1 — вентиль подвода воды от сети; 2 — водослив для поддержания постоянного уровня воды в баке; 3 — напорный бак; 4 — сосуд с окрашенной жидкостью; 5 — вентиль подачи окрашенной жидкости; 6 — успокоительные решетки; 7 — стеклянная трубка; 8 — вентиль регулирования расхода воды в стеклянной трубке.

б) Наблюдаемый вид окрашенной жидкости: 1 — ламинарный режим; 2 — переходный режим; 3 — турбулентный режим

 

Следовательно, турбулентное движение, в отличие от ламинарного, является по своей природе движением неустановившимся, даже в том случае, если происходит при неизменяющемся во времени напоре. Движение частиц при турбулентном режиме напоминает тепловое движение молекул газа. В результате перемешивания частиц жидкости при турбулентном режиме существенно увеличивается гидравлическое сопротивление, улучшаются условия теплоотдачи. Поэтому правильное определение режима движения жидкости имеет большое значение при решении инженерных задач.

Судить о режиме движения жидкости в трубах на основании лабораторных исследований, в виду их трудоемкости, в большинстве случаев нецелесообразно, поэтому вид режима определяют с помощью критерия Рейнольдса:

, (3.7)

где υ — средняя скорость, которая определяется из уравнения

 

, (3.8)

 

где d — диаметр трубопровода;

— кинематический коэффициент вязкости;

S — площадь поперечного сечения потока жидкости.

По своей физической природе критерий Рейнольдса представляет собой отношение сил инерции к силам вязкости (его можно также рассматривать как отношение кинетической энергии потока жидкости к работе сил сопротивления).

При малых числах Rе характер движения определяется силами вязкости, которые препятствуют возникновению и развитию пульсаций. В результате в потоке поддерживается ламинарный режим.

При больших числах Rе возрастают пульсации скоростей и связанные с ними инерционные силы настолько, что вязкость больше не может служить препятствием хаотичному движению частиц жидкости, то есть в потоке будет иметь место турбулентный режим.

В трубах круглого сечения, в среднем при Re < 2 300 (нижнее критическое число) имеет место устойчивый ламинарный режим движения, а приRе > 4 000(верхнее критическое число) устойчивый турбулентный режим.

Если 2 300 < Rе< 4 000, то наблюдается неустойчивый (переходный) режим. При этом в потоке возникают пульсации, которые постепенно затухают, то есть на отдельных участках потока ламинарный и турбулентный режим сменяют друг друга.

По формуле (3.7) соотношение сил инерции и вязкости определяется приближенно, так как не все факторы, оказывающие влияние на режим движения, при этом учитываются.

Поэтому приводимые в литературе величины критических чисел справедливы только для средних условий, обычно встречающихся в практике. Например, в потоках с повышенной шероховатостью стенок, либо имеющих резкие изменения формы поперечного сечения, турбулизация наступает при меньших значениях Rе. Наоборот, отсутствие внешних вибраций, плавное сужение потока способствует сохранению ламинарного режима при больших числах Rе (в лабораторных исследованиях удавалось получить ламинарный режим при Rе = 150 000, однако при этом малейшее возмущение переводит режим в турбулентный).

В природе и технике имеет место в основном турбулентный режим движения жидкостей.

Ламинарный режим наблюдается при движении жидкостей повышенной вязкости (нефти, битума, мазута, смазочных масел и др.), а также при движении жидкостей в трубах малого диаметра (капиллярах, порах грунта).