Виды и режимы движения жидкостей

 

      Движение жидкости может быть установившимся и  неустановившимся, напорным и безнапорным, равномерным и неравномерным, одномерным и многомерным.

    Установившееся движение – это такой вид движения, при котором параметры потока не изменяются с течением времени.

Например: истечение потока из отверстия  в стенке  резервуара (рис. 5). Если Н = const, то движение установившееся. При этом: ∂ υ /∂t = 0; ∂ p /∂t = 0. При Н ≠ const - движение является неустановившимся.

              Напорным называется такой вид

  движения,  при котором поток по всему

               периметру граничит с твердыми  

Рис. 5. Схема истечения потока             стенками (поток не имеет  

из отверстия в стенке резервуара                   свободной  поверхности).

                                                   

       Напорное движение осуществляется под действием перепада

давлений по длине потока, при безнапорном движении поток имеет свободную поверхность (в открытых каналах, руслах рек и т.д.) и перемещается под действием силы тяжести.

    Равномерным называется движение, при котором скорость потока не изменяется вдоль его пути (например, при движении капельной жидкости по трубопроводу постоянного сечения). В противном случае оно становится неравномерным.

  Одномерным считается движение потока, при котором его параметры изменяются только по одной координате. Соответственно многомерным является движение, для описания которого требуется более одной пространственной координаты (например, распределение жидкости по твердой горизонтальной поверхности – двухмерное, течение в океане или в ванне – трехмерное, и т.п.).

 

Режимы движения жидкости. Наблюдения выявили существование двух качественно различных режимов движения жидкостей – ламинарного (слоистого) и турбулентного (вихревого).

     При ламинарном режиме движения поток движется струйками или слоями, траектории жидких частиц параллельны стенкам трубы и не пересекаются друг с другом. В простейшем случае при движении жидкости в пределах фиксированных границ потока (например, в трубе цилиндрической формы с неизменным диаметром) при увеличении скорости потока выше определенного значения слоистость нарушается, струйки перемешиваются, образуются вихри. Наиболее полно это явление исследовал английский физик Рейнольдс. Он показал, что смена режимов движения происходит при определенном значении безразмерного комплекса величин, который затем был назван в его честь критерием Рейнольдса (Re):

 

                                    

 

где υ - средняя скорость потока, d_э - эквивалентный диаметр потока,

ν - кинематическая вязкость жидкости.

Физический смысл критерия Рейнольдса – это мера отношения сил инерции к силам вязкого трения в потоке вязкой жидкости. Рейнольдс установил, что при движении жидкостей по трубам ламинарный режим существует, если Re < 2300. При Re > 10⁴ наблюдается развитый турбулентный режим. В промежуточной области значений 2300 ≤ Re ≤ 10⁴ происходит развитие турбулентности.

  Ламинарный режим в природе и технике встречается редко. Математическое описание его намного проще, чем турбулентного. Каждому режиму движения свойственны свои закономерности. Поэтому при расчете тепловых, массообменных процессов, протекающих в движущихся жидкостях, следует сначала определить режим течения, а затем уже вести расчет тепловых и массообменных параметров, используя соответствующие уравнения, справедливые для того или иного режима движения. Теория турбулентного движения весьма сложна и многое приходится определять, используя экспериментальные данные. Движения частиц жидкости в турбулентном потоке имеют характер пульсаций. Пульсируют по величине и направлению и скорости, и давления. Интенсивное перемешивание в турбулентном потоке объясняется именно пульсациями скорости.

 

Распределение местных скоростей по сечению потока.   При ламинарном режиме течения имеет место параболический закон распределения местных скоростей по сечению потока (рис. 6а) – что в дальнейшем будет обосновано теоретическим путем. Если реальное распределение скоростей заменить условно равномерным (ввести понятие средней скорости для данного сечения), то выполняется соотношение:                           

                                 υ = 0,5 · υ_{м max}   

υм max

                   а                                                          б

       

			υ max
	υ

Рис. 6. Распределение местных скоростей по сечению потока при                ламинарном (а) и турбулентном (б) режиме течения

                          

       При турбулентном движении потока жидкости закон распределения местных скоростей по сечению потока более сложный (рис. 6б) и с трудом поддается строгому математическому описанию.  

     Здесь экспериментально наблюдается резкий рост скорости в тонком пристенном слое, а в ядре потока скорости изменяются незначительно (происходит интенсивное перемешивание слоев и выравнивание скоростей). Опыт показывает, что в этом случае

 

                                    υ = (0,85÷0,9) ∙ υ_{м max}.

Структура турбулентного потока. В турбулентном потоке на границе со стенкой образуется тонкий слой жидкости с режимом движения, близким к ламинарному - “ламинарный подслой”. В центре потока движется вихревая турбулентная область (рис. 7).

 Несмотря на весьма малую толщину

      (обычно десятые доли миллиметра)

    ламинарный подслой 1 играет весьма

   важную роль при транспортировании

Рис. 7. Схема турбулентного потока:            жидкостей в трубах и

 1. Ламинарный подслой;                                     аппаратах, в процессах  

2. Турбулентная область.                                      тепло- и  массообмена.

 

    При этом опыты показывают, что толщина ламинарного подслоя уменьшается с ростом скорости потока.