Изучение режимов движения жидкости

 

Цель работы – визуально наблюдать режимы движения жидкости, установить опытным путем критическое значение числа Рейнольдса, соответствующее переходу ламинарного режима в турбулентный.

Теоретическая часть. Существует два режима течения: ламинарный и турбулентный. Обычно при малых скоростях струйки жидкости движутся параллельно, скользя относительно друг друга. При непрерывном возрастании скорости потока будут нарастать потери напора из-за трения жидкости (пропорционально скорости). Такой режим называется ламинарным. Когда значение числа Рейнольдса (Re), определяемого средней скоростью потока J, диаметром трубы d, плотностью жидкости r и динамической вязкостью жидкости m достигнет определенного критического значения (Re _кр = 2300), режим движения резко, скачкообразно начинает меняться. Проявляет действие всеобщий закон о переходе количества в качество. При больших скоростях наблюдается поперечное перемещение струек жидкости за счет образования вихрей. Потери напора на трение будут нарастать и стремиться к квадратичной зависимости от скорости.

Если Re < 2300, то должен иметь место ламинарный режим; если Re > 2300, то режим турбулентный.

Необходимо отметить, что приведенное критическое значение число Рейнольдса является в известной степени условной величиной, так как трудно обнаружить резкий переход от ламинарного режима к турбулентному. В действительности наблюдается так называемая «переходная» область исчезновения ламинарного режима, установления турбулентного состояния потока. Числовые значения критерия Рейнольдса для неразвитого турбулентного режима находятся в пределах 2300 ¸ 10000. При Re > 10000 режим потока становится развитым турбулентным.

При уменьшении скорости жидкости возможен обратный переход к ламинарному режиму движения.

При движении реальных жидкостей возникают силы сопротивления, вследствие чего как при ламинарном, так и при турбулентном режиме часть напора теряется на преодоление гидравлических сопротивлений. Эти потери различны, так как условия движения жидкости при разных режимах различны, поэтому при проведении гидравлических расчетов систем и решении задач, связанных с движением жидкости, необходимо вначале установить режим движения жидкости.

В большинстве технологических аппаратов наблюдается турбулентный режим движения, обеспечивающий более интенсивное протекание тепломассообменных процессов.

Описание установки

Установка для определения числа Рейнольдса (рис.2.3) состоит из напорного бака 1, питательного трубопровода 2 с регулирующим вентилем 3, успокоителя 4, мерного бака 5, стеклянной трубы 6 диаметром 0,03 м, предназначенной для наблюдения за режимами движения, и бачка с раствором красителя 7. Во избежание переполнения бака в нем предусмотрен водослив. Подача красителя регулируется краном 8.

Методика проведения работы

 

Наполнить водой напорный бак 1. Уровень воды в баке при проведении опытов должен поддерживаться постоянным. Это достигается с помощью водослива.

Все опыты проводить при установившихся потоках.

Приоткрыть вентиль 3 на питательном трубопроводе и для подачи красителя открыть кран 8. Подкрашенная струйка при ламинарном режиме должна быть прямой. Зарисовать наблюдаемую картину движения жидкости в трубе.

Открывая вентиль 3 и плавно увеличивая расход воды, добиться начала разрушения ламинарного режима. При некотором открытии вентиля окрашенная струйка начинает искривляться и становиться волнообразной.

Закрыть кран на сливной трубе 9 и определить расход жидкости и помощью мерного бака и секундомера. Измерить температуру воды и найти соответствующее значение кинематического коэффициента вязкости (приложение А).

По полученному значению расхода и критической скорости определить критическое значение числа Рейнольдса, соответствующее переходу ламинарного режима в турбулентный (определение Re _кр повторить не менее 3-х раз).

Открыть полностью вентиль 3. Наблюдать турбулентный режим течения и зарисовать картину движения ее подкрашенной части.

 

Обработка результатов эксперимента

 

Определить расход, м ³/ с

, (2.5)

где W – объем жидкости в мерном баке, м ³; t - время наполнения, с.

Определить среднюю скорость движения, м / с

, (2.6)

где S – площадь сечения трубы, м ².

Определить число Рейнольдса

. (2.7)

Результаты опытов и расчетов внести в табл.2.2.

Таблица 2.2

Наименование параметра	Опыт 1	Опыт 2	Опыт 3
Объем жидкости в мерном баке W, м 3
Время наполнения t, с
Расход воды в трубе Q, м 3/ с
Средняя скорость движения , м / с
Число Рейнольдса Re
Режим движения

 

Контрольные вопросы

 

1. Ламинарный режим движения, его особенности.

2. Турбулентный режим движения, его особенности.

3. Число Рейнольдса для цилиндрических труб и для потоков с некруглым сечением.

4. Значение режима движения для расчета трубопроводов.

5. Причины разрушения ламинарного режима.

 

Список основных источников: [1, с.62-65; 2, с.65-67; 3, с.38-41].

 

Лабораторная работа № 3