ОПИСАНИЕ ЛАБОРАТОРНОЙ УСТАНОВКИ И ОПЫТОВ РЕЙНОЛЬДСА

Схема лабораторной установки (рис.1) включает:
1 – напорный бак, в котором уровень воды поддерживается на постоянной высоте;
2 – вентиль;
3 – стеклянный трубопровод с внутренним диаметром d=25мм;
4 – баллон, наполненный трифенилметановым красителем (фуксином), плотность которого близка плотности воды;
5 – тонкая трубка с зажимом;
6 – вентиль;
7 – мерный бак;
8 – водомерное стекло;
9 – сливной кран;

10 – термометр;

11 – трубка Пито;

12 – кольцевая камера (для измерения статического давления;

13 – дифференциальный манометр.

Сущность классических опытов Рейнольдса заключается
в следующем.

В трубопроводе 3 (рис.1) устанавливают минимальную среднюю по сечению скорость V, меньшую нижней критической скорости V_кр.н., соответствующей Re_кр.н.. Одновременно приоткрывают зажим на трубке 5, направляя фуксин из баллона 4 в трубопровод 3. Краска начинает поступать в трубопровод 3 в виде тонкой резко очерченной прямолинейной струйки. Она не смешивается с основной массой жидкости и производит впечатление натянутой струны. Такая визуальная картина характеризует стабилизированный ламинарный режим.

Рис. 2

Подкрасив всё живое сечение фуксином, можно наблюдать параболический профиль скоростей в поперечном сечении потока: на оси скорость достигает максимальной величины umax, у стенок она снижается до нуля в соответствии с гипотезой прилипания (рис. 2).

Производя подробное измерение профиля скорости, можно убедиться, что он строго следует закону Стокса:

При стабилизированном ламинарном режиме движения средняя по сечению скорость составляет половину максимальной V= u_max/2.

Для того чтобы осуществить переход от ламинарного режима к турбулентному, необходимо увеличить среднюю по сечению скорость V. Возрастание скорости достигается увеличением степени открытия вентиля 6 (рис.1) и сопровождается изменением визуальной картины течения: вначале окрашенная прямолинейная струйка приобретает волнообразное очертание, затем по мере дальнейшего медленного открытия вентиля путь струйки становится всё более извилистым, хотя она всё ещё выделяется в массе жидкости. При продолжении увеличения скорости струйка теряет отчётливую форму, разрушается, и краска полностью смешивается с жидкостью. В жидкости возникают пульсации скорости и давления, происходит активное поперечное перемешивание. Наблюдаемые качественные картины движения соответствуют переходу ламинарного режима в турбулентный. Критическая точка перехода в этом случае отвечает моменту превышения средней скорости над её критическим значением: V>V_кр. (следовательно, Re >Re_кр.).

Опыты показывают, что обратный переход (от турбулентного режима к ламинарному) происходит при более низких значениях скорости в трубе, чем при прямом переходе, поэтому Re_кр.н.< Re_кр.в.. Принято полагать, что при
Re< Re_кр.н. режим всегда ламинарный, а при Re >Re_кр.в. режим всегда турбулентный.