Основные положения и расчетные зависимости

В природе существуют два принципиально разных режима движения жидкости: ламинарный и турбулентный.

Ламинарный режим движения характеризуется «слоистым» течением жидкости - бесконечно тонкие слои жидкости движутся друг по другу без перемешивания. Это можно наблюдать визуально, если в поток воды, текущей в прозрачной стеклянной трубе, ввести струйку (одну или несколько) окрашенной жидкости - она течет, не перемешиваясь с окружающей жидкостью.

Турбулентный поток характеризуется беспорядочным движением частиц, сопровождающимся интенсивным поперечным перемешиванием жидкости, в результате чего вся жидкость в трубе окрашивается.

Смена режимов происходит скачкообразно.

Для установления наличия того или иного режима движения жидкости в трубе вычисляется число Рейнольдса - безразмерная величина, определяемая по формуле:

(3-1)

где: - средняя скорость течения жидкости в трубе; d - внутренний диаметр трубы; - кинематический коэффициент вязкости жидкости.

При значениях чисел <2000 всегда имеет место ламинарный режим течения; при значениях >2320 - турбулентный режим; а при 2000< <2320 - область неустойчивых режимов.

Число Рейнольдса, равное 2320 называется критическим;

=2320.

Критическому числу Рейнольдса соответствует определенная средняя скорость течения в трубе, называемая критической, по величине которой также можно судить о режиме потока в трубе:

--------------------------------------------- (3-2)

Установление режима движения жидкости является необходимым при определении потерь напора на трение в трубах. Потери напора на трение при разных режимах течения жидкости подчиняются разным законам: при ламинарном режиме потери пропорциональны средней скорости в первой степени, а при турбулентном становятся сначала пропорциональными средней скорости в степени больше единицы, а при больших числах Рейнольдса - пропорциональны скорости во второй степени (квадратичная область сопротивлений).

Описание установки

Изменение режима движения жидкости в трубопроводе можно наблюдать на приборе Рейнольдса, схема которого показана на рис. 3-1. Опытная установка состоит из напорного бака 1, в который вода поступает из водопроводной сети по трубе 7. Горизонт воды в баке поддерживается постоянным благодаря холостому сливу 6. Из напорного бака вода поступает в стеклянную трубу 2 с краном 3 на конце для регулирования количества жидкости, поступающей из резервуара в трубу. Кроме того, имеется бачок 4 с тонкой трубкой 5, которая подведена к центру трубы 2 и снабжена краном 10. В бачок 4 заливается подкрашенная вода. Для определения температуры, от которой зависит вязкость жидкости, служит термометр 8.

Количество жидкости, проходящей из резервуара 1 через трубу 2 измеряется при помощи мерного бака 9. Время, в течение которого заполняется мерный бак 9, засекается по секундомеру.

Порядок проведения опытов

1) До начала опытов следует заполнить напорный бак 1 водой, а бачок 4 - подкрашенной жидкостью.

2) С помощью крана 3 устанавливают в трубе 2 небольшой расход, при котором имеет место ламинарный режим.

3) Постепенным открытием краника 10 по трубке 5 подается красящая жидкость в виде тонкой струйки.

4) Наблюдая ламинарный режим, измеряют расход, засекая время наполнения мерного бака.

5) Постепенное открытие крана 3 приводит к увеличению скорости течения в трубе, появлению колебаний, а при достижении критической скорости - к быстрому перемешиванию окрашенной струйки с потоком воды.

Вновь производятся замеры расхода.

6) Одновременно замеряется температура воды в напорном баке.

Опыты проводятся при четырех положениях крана 3 от минимального до максимального его открытия,

Обработка экспериментальных данных

Необходимые вычисления:

1) Расход воды в стеклянной трубе:

(3-3)

где: - объем воды, поступившей в мерный бак; Т - время наполнений бака.

2) Средняя скорость течения в стеклянной трубе:

(3-5)

3) Кинематический коэффициент вязкости воды по формуле Пуазейля:

(3-6)

где t - температура воды в градусах Цельсия.

4) Число Рейнольдса по формуле (3-1).

5) Критическая скорость течения в трубе по формуле (3-2)

Форма отчета

Таблица3-1

Регистрация опытных данных

Таблица3-2

Обработка опытных данных

№ опыта	Площадь поперечного сечения трубы, ω, см2	Расход воды, Q, см3/с	Средняя скорость течения, , см/с	Коэффициент кинематической вязкости, ν, см2/с	Число Рейнольдса Re	Режим движения жидкости

7. Контрольные вопросы

1) Какие существуют режимы движения жидкости? Чем они отличаются визуального друг от друга?

2) Что называется числом Рейнольдса? Каково его критическое значение?

3) Что называется критической скоростью?

4) Как определить режим движения в трубе по величине критической скорости?

5) Как установить наличие того или другого режима не визуально, а расчетным путем?

6) Как влияют геометрические размеры потока на установление того или иного режима движения жидкости?

7) Как влияет вязкость на режим движения?

8) Как влияет температура на режим движения?

9) Что называется вязкостью? Сформулируйте закон Ньютона о трении. Напишите формулу Петрова.

10) Какими коэффициентами оценивается вязкость жидкости? Какова их взаимосвязь? Единицы измерения их в системе СИ.

11) Каково практическое приложение знания режимов жидкости?

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 4

Не нашли, что искали? Воспользуйтесь поиском по сайту: