Ламинарные и турбулентные режимы движения жидкости

 

Ламинарные и турбулентные режимы движения жидкости. Экспериментальные наблюдения показывают, что в природе существуют различные виды движения жидкости –«ламинарное движение», «переходный» режим движения и «турбулентный» режим движения. Подобные явления в 1883 году были исследованы физиком О. Рейнольсом.

 

 

 

 

1-емкость с водой, 2-емкость с красителем, 3- стеклянная трубка, 4- краситель в жидкости, 5- вентиль, 6 –мерный сосуд

Рис. 5.1

На рис.5.1 Приведена схема опытной установки О. Рейнольса. Установка состояла из бака с водой (1) к баку крепилась стеклянная трубка (3). Из специальной емкости (2) подавался краситель (4) в стеклянную трубку. Расход потока воды регулировался вентилем (5). Расход воды измерялся мерным сосудом (6).

При проведении экспериментов было выделено несколько характерных видов течения (рис.5.2). При незначительных скоростях окрашенная жидкость не размывалась. В этом случае имеет место так называемое «ламинарное» (слоистое) течение. При увеличении скорости потока наблюдается «переходный» режим течения. Дальнейшее увеличение скорости движения потока приводит к не упорядочному движению красящего вещества в воде. Такое состояние движущего потока получило название «турбулентным».

Режимы течения потока жидкости характеризуются численными значениями критерия. Так, при численных значениях критерия ниже 2000 (течение в круглых трубах), имеет место ламинарный режим течения жидкости, при численных значениях критерия от 2000 до 12000, наблюдается переходный режим течения. При численных значениях выше 12000 начинается турбулентное течение.

 

 

Рис.5.2

V

Δ

d

V

Δ

d

Шероховатость. Гидравлический коэффициент трения l, в общем случае, зависит от относительной шероховатости D/d (рис. 5.3) и численного значения критерия Рейнольдса. Внутренняя стенка любого трубопровода представляет собой шероховатую поверхностью. Шероховатость поверхности зависит от высоты выступов шероховатости, их формы, густоты и характера их размещения на поверхности; наличием или отсутствием в трубе ржавчины, коррозии, отложения осадков, защитных покрытий и т. д. Для грубой количественной оценки шероховатости вводится понятие о средней высоте выступов шероховатости. Эту высоту, измеряемую в линейных единицах (рис.5.3), называют абсолютной шероховатостью и обозначают символом D. Опыты показали, что при одной и той же величине абсолютной шероховатости влияние ее на величину гидравлических сопротивлений и распределение скоростей различно в зависимости от диаметра трубы. Поэтому вводится понятие об относительной шероховатости, измеряемой отношением абсолютной шероховатости к диаметру трубы, т.е. величиной D/d.

 

V

Δ

d

 

 

Рис 5.3

Первые систематические опыты для выявления характера зависимости от Re и k/d были проведены в 1933 г. И Никурадзе в гладких латунных трубах и трубах с искусственной равномерно-зернистой шероховатостью из кварцевого песка.

Рис.5.4

На рис. 5.4 показана зависимость величины гидравлического сопротивления трения от величины критерия Re. В данном случае ясно наблюдаются три области течения - первая область ламинарного течения, где

 

 

потери связанные с трением, определяются не величиной относительной шероховатости, а только режимом течения. Вторая область – «гидравлически гладких труб» область течения жидкости в трубах в «переходном» режиме течения. Третья область – область развитого турбулентного течения. В данном случае гидравлический коэффициент трения практически не зависит от численных значений критерия Re, а основным фактором является относительная шероховатость, в данном случае от D/d =0,00197 до D/d =0,066.