Режимы движения жидкости. Экспериментальное изучение движения жидкости


При проведении многочисленных экспериментов с потоками движущейся жидкости было неоднократно подмечено, что на величину гидравлических сопротивлений кроме физических свойств самой жидкости, формы и размеров каналов, состояния их стенок, существенное влияние  оказывает особенности движения частиц жидкости в потоке. Впервые дал теоретическое обоснование этой зависимости английский физик Осборн Рейнольде. Суть его эксперимента заключалась в следующем.

Режимы движения жидкости. Экспериментальное изучение движения жидкости

В ёмкость А достаточного большого объёма была вставлена длинная (не менее 20 диаметров) стеклянная трубка Г. На конце этой трубки устанавливался кран Д для регулирования расхода жидкости. Измерение расхода жидкости осуществлялось с помощью мерной ёмкости Б, расположенной в конце трубки. Из малого бачка В с помощью тонкой изогнутой трубки Е по центру основной трубки вводилась подкрашенная жидкость. Её расход также регулировался с помощью краника. Уровень жидкости в основном баке А поддерживался постоянным. Плавно меняя расход жидкости в трубке, Рейнольде отметил, что при малых скоростях движения жидкости подкрашенная струйка жидкости текла по центру потока жидкости, не смешиваясь с остальной жидкостью потока. Однако при определённой скорости жидкости подкрашенная струйка жидкости теряла свою устойчивость и, в конечном итоге, частицы окрашенной жидкости перемешивались с остальной жидкостью. При снижении скорости движения жидкости положение восстанавливалось: хаотичное движение частиц жидкости снова становилось упорядоченным. Рейнольде менял длину и диаметр трубки, вязкость жидкости, количество подкрашенных струек жидкости и установил, что эффект перемешивания (смена режима течения жидкости) зависит от скорости движения жидкости, её вязкости и от диаметра трубки, причём при увеличении вязкости жидкости для смены режима течения жидкости требовалась большая скорость. Отсюда Рейнольде сделал вывод, что смена режима движения жидкости зависит от целого комплекса параметров потока, а именно от соотношения:

Режимы движения жидкости. Экспериментальное изучение движения жидкости

которое получило название числа Рейнольдса. Число Рейнольдса оказалось безразмерной величиной, представлявшей собой отношение сил инерции к силам вязкостного

трения. Была установлена и критическая величина числа Рейнольдса, при котором происходила смена режима движения жидкости R.eKp, она оказалась равной 2320.

Режим движения жидкости, при котором наблюдалось плавное, слоистое движение жидкости был назван ламинарным (слоистым) режимом движения жидкости. Режим движения жидкости сопровождавшийся хаотическим движением частиц жидкости в потоке был назван турбулентным (беспорядочным). Важным оказалось то обстоятельство, что при смене режима движения существенно менялась зависимость величины гидравлических сопротивлений от скорости движения жидкости. Этот факт можно проиллюстрировать на графике зависимости потерь напора от скорости, построенных в билогарифмической системе координат.

Режимы движения жидкости. Экспериментальное изучение движения жидкости

Режимы движения жидкости. Экспериментальное изучение движения жидкости

Зависимость состоит из двух участков: ламинарного (АВ) и турбулентного (ВС} режимов движения жидкости. Каждому из участков соответствует уравнение:

Режимы движения жидкости. Экспериментальное изучение движения жидкости

Для ламинарного участка (АВ) наклон линии к оси абсцисс k = tg45° = 1, для турбулентного участка (ВС) наклон линии превышает 1 и изменяется в пределах 1,75 - 2,0.

Предыдущие материалы: Следующие материалы: