Описание опытной установки

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №3

ИЛЛЮСТРАЦИЯ РЕЖИМОВ ДВИЖЕНИЯ ЖИДКОСТИ

Цель работы

Наблюдение за характером движения жидкости в трубопроводе, определение чисел Рейнольдса при различных режимах движения.

Опыты показывают, что в природе существует два режима течения жидкостей и газов: ламинарный (рис.12) и турбулентный (рис.13).

Ламинарное движение - это слоистое течение жидкости без перемешивания частиц и пульсаций их скоростей. При ламинарном (слоистом) течении жидкости в прямой трубе постоянного сечения все линии тока направлены параллельно оси трубы, т.е. прямолинейны.

Турбулентное движение - это течение жидкости сопровождающееся интенсивным перемешиванием частиц и пульсациями их скоростей. При турбулентном течении наряду с основным продольным перемещением частиц жидкости имеют место их поперечные перемещения и вращательные движения частиц или отдельных объемов жидкости.

Смена режима течения происходит при определенном значении безразмерного числа, которое получило название числа Рейнольдса. Это число, характеризующее режим течения, вычисляется при помощи следующей формулы:

где V - средняя скорость движения жидкости;

d - диаметр трубопроводе;

ν_t - кинематический коэффициент вязкости.

Физический смысл критерия Рейнольдса состоит в том, что он характеризует собой отношение сил инерции к силам трения (вязкости). Опытами установлено, что устойчивый ламинарный режим течения (слоистое движение жидкости) сохраняется до значения числа Re =2320, которое получило название критического число Рейнольдса (Re_кр=2320). При значениях Re > Re_кр движение жидкости будет турбулентным. Чем больше число Re , тем выше турбулентность потока.

Рисунок 12 – Ламинарный режим Рисунок 13 – Турбулентный режим

В жидкости действуют две группы сил: массовые и поверхностные. В потоке жидкости главную роль играют силы инерции (массовые силы), а из поверхностных – силы вязкости (трения). От соотношения этих сил зависит режим течения. Если силы вязкости достаточно велики, движение слоистое, упорядоченное (ламинарный режим). При ламинарном движении частицы жидкости движутся слоями, не перемешиваясь. В слое жидкости, прилегающем к стенкам трубы, где силы трения имеют наибольшую величину, скорость равна нулю. В центре потока скорость достигает максимальной величины. В случае ламинарного движения эпюра распределения скоростей имеет вид квадратичной параболы (рис.14). В этом случае число Re потоке меньше Re_кр.

При увеличении скорости потока или диаметра трубопровода или уменьшении вязкости жидкости происходит переход ламинарного режима движения в турбулентный. Турбулентное движение существенно отличается от ламинарного; в этом случае кроме скоростей частиц, направленных вдоль потока, имеются компоненты скорости, перпендикулярные к оси трубопровода. Вследствие этого происходит перемешивания частиц жидкости. Эпюра скоростей турбулентного потока более равномерная (рис.15). В этом случае число Re больше Re_кр.

Режим течения жидкости: существенно влияет на величину гидравлических потерь энергии потока. Поэтом; знание величины числа Re необходимо для определения потерь энергии в трубопроводах, каналах, гидромашинах и т.д.

Описание опытной установки

Для иллюстрации режимов движения жидкости в трубе постоянного - сечения используется специальная установка (рис.16). Установка состоит из напорного бака 2, наполненного водой, от которого отходит стеклянная труба 5 с краном 6. Внутри стеклянной трубы размещены тонкие металлические трубки, по которым в поток вводится подкрашенная жидкость из бачка 3. Необходимая скорость движения жидкости в стеклянной трубе устанавливается при помощи крана 6.

При установлении и наблюдении соответствующего режима движения вода при помощи переключателя 7 отводится на слив. Для определения средней скорости потока в стеклянной трубе вода отводится в мерный бачок 8 емкостью W=1500 см³. Для измерения температуры воды используется термометр 1.

Порядок проведения опыта

Как следует из предыдущего, целью работы является наблюдение режимов движения жидкости (ламинарного и турбулентного) и определение числа Рейнольдса для этих режимов.

Для изменения скорости потока в трубе и обеспечения требуемого режиме течения следует изменять открытие крана 6, расположенного на конце стеклянной трубы. Одновременно из бачка 3 внутрь потока необходимо ввести подкрашенную жидкость для наблюдения режима движения. Если движение жидкости ламинарное, подкрашенные струйки не будут перемешиваться с основным потоком (рис.12). Увеличивая скорость основного потока за счет открытия крана 6, следует обеспечить переход ламинарного режима точения в турбулентный, при этом струйки подкрашенной жидкости сначала начнут колебаться, а затем размоются (рис.15).

Для определения числа Re необходимо при помощи переключателя 7 отвести воду в мерный бачок 8. Время наполнения мерного бачка определить при помощи секундомера. Записать в протокол испытаний температуру воды в напорном баке.

Обработке результатов

Зная время t наполнения мерного бачка известной емкости W, определяют расход в трубе:

Из уравнения расхода находят среднюю скорость потока:

где S - площадь сечения потока в трубе (диаметр стеклянной трубы d=4,8см).

Для нахождения величины ν_t пользуются графиком, представляющим опытную зависимость кинематического коэффициента вязкости воды от температуры (рис.17).

Рисунок 17 – Зависимость ν_t=f(t°C)

Протокол испытаний

Содержание отчета

1. Вычертить схему установки.

2. Записать основные расчетные формулы.

3. Оформить протокол испытаний.

Вопросы для самоконтроля

1. Виды режимов движения жидкости и их характеристики.

2. Критическое число Рейнольдса и его значение.

3. Понятие о кинематическом коэффициенте вязкости и его размерность.

4. Влияние температуры и рода жидкости на ее режим движения.

5. Влияние режима течения на эпюру скоростей в сечении трубопровода .

Не нашли, что искали? Воспользуйтесь поиском по сайту: