Общие сведения. Практическое исследование движения капельных и газообразных жидкостей показывает, что существуют два принципиально различных режима течения: ламинарный и

Практическое исследование движения капельных и газообразных жидкостей показывает, что существуют два принципиально различных режима течения: ламинарный и турбулентный режимы.

Существование двух резко отличных друг от друга режимов движения жидкости было открыто в 1839 и 1854 гг. немецким инженером-гидромехаником Г. Хагеном; английский физик О. Рейнольдс в 1883 г. опытным путем подтвердил этот факт.

Ламинарный режим (от латинского слова lamina – слой) характеризуется слоистым течением без перемешивания частиц жидкости и без пульсаций скоростей и давления. При данном режиме движения отсутствуют поперечные перемещения жидкости, линии тока вполне определяются границами русла, по которому течет жидкость. При постоянном напоре ламинарное течение является упорядоченным, строго установившемся течением (в общем случае возможен неустановившийся режим течения). Ламинарное течение нельзя назвать безвихревым течением, так как наряду с поступательным движением имеет место вращательное движение отдельных частиц жидкости относительно мгновенных центров вращения с некоторыми угловыми скоростями, но отдельные вихри в ламинарном потоке гасятся силами вязкости.

Ламинарный режим движения встречается чаще всего в практике течения особенно вязких жидкостей (нефти, нефтепродуктов, битума, масел и т. п.), при низких скоростях течения в каналах незначительного поперечного сечения (движение воды через поры грунта, капилляры и т.п.).

Турбулентный режим (от латинского слова turbulentus – беспорядочный) характеризуется хаотическим, беспорядочным движением отдельных частиц жидкости, интенсивным вращением, вихреобразованием и поперечным перемешиванием, пульсациями во времени поля скоростей и поля давлений в любой точке пространства, занятого турбулентным потоком. В целом, при турбулентном режиме жидкость движется поступательно, вместе с тем, составляющие ее частицы имеют не только осевые, но и нормальные к оси русла составляющие вектора скорости, поэтому перемещения отдельных частиц жидкости представляют собой пространственные, неопределенно искривленные траектории.

Турбулентный режим движения в природе и технике встречается чаще ламинарного режима, так как на практике обычно имеются дополнительные условия, способствующие турбулизации потока, – неравномерность расхода, местные гидравлические сопротивления, вибрация и пр. Турбулентный режим течения наблюдается при движении маловязких жидкостей (бензина, керосина, спирта, кислоты и пр.), в большинстве случаев гидротехнической и гидромелиоративной практики (движение воды в трубах, каналах, реках и т.п.).

Критерием, позволяющим определять режим течения жидкости, является число Рейнольдса – это критерий гидродинамического подобия, который с физической точки зрения представляет собой соотношение инерционных и вязкостных сил и определяется следующим соотношением:

, (1)

где V – средняя скорость потока, м/с; R=w /П – гидравлический радиус – отношение площади живого сечения w к смоченному периметру П, м; n – кинематический коэффициент вязкости жидкости, м²/с.

Для труб круглого сечения диаметром d число Рейнольдса Re примет следующий вид:

, (2)

здесь d – внутренний диаметр трубопровода, м.

Смена одного режима течения жидкости другим происходит скачкообразно и обусловлена тем, что одно течение теряет устойчивость, другое – приобретает. В инженерной практике режим течения определяют путем сравнения числа Рейнольдса Re с его критическим значением Re_кр. Различают два значения этого числа: нижнее критическое число Рейнольдса Re^н_кр и верхнее критическое числоРейнольдса Re^в_кр.

При числах Рейнольдса Re < Re^н_кр ламинарное течение является вполне устойчивым: искусственная турбулизация потока и его возмущения гасятся влиянием сил вязкости, и ламинарный режим вновь восстанавливается.

При числах Рейнольдса Re > Re^в_кр движение будет турбулентным.

При числах Рейнольдса Re^н_кр < Re < Re^в_кр (в так называемой “переходной зоне” или “критической”) оба режима равновероятны: течение может быть либо ламинарным, либо турбулентным. Однако ламинарный режим в этом диапазоне изменения чисел Рейнольдса оказывается крайне неустойчивым: достаточно малейшего возмущения потока (например, толчка и пр.), и ламинарный режим “разрушается” и переходит в турбулентный. При практических расчетахполагают, что в переходной зоне вероятнее турбулентный режим.

Для большинства гидравлических систем, работающих в реальных условиях производства, устанавливают следующие общепринятые критические значения чисел Рейнольдса:

– нижнее критическое число Рейнольдса Re^н_кр = 2300;

– верхнее критическое число Рейнольдса Re^в_кр = 4000.