Общие сведения. Существуют два принципиально различных режима движения жидкости: ламинарный и турбулентный

Существуют два принципиально различных режима движения жидкости: ламинарный и турбулентный. Впервые различия ламинарного и турбулентного режимов движения жидкости наблюдал немецкий инженер - гидротехник Г. Хаген в 1839 году. В 1880 году Д. И. Менделеев в работе ″О сопротивлении жидкостей и воздухоплавании″ отметил зависимость сил трения от скорости движения при различных режимах движения жидкости. Наиболее полно этот вопрос исследовал английский физик О. Рейнольдс в 1883 году. Он наблюдал за движением жидкости в стеклянной трубе, вводя в поток подкрашенную жидкость при помощи тонкой трубки. В одних случаях подкрашенная жидкость двигалась практически прямолинейно (поперечное перемешивание жидкости отсутствовало), в других случаях наблюдалось беспорядочное перемешивание частиц жидкости. Интенсивное поперечное перемешивание частиц жидкости может происходить только в результате изменений во времени (пульсаций) векторов местных скоростей в потоке.

Движение жидкости, при котором отсутствуют изменения (пульсации) векторов местных скоростей, называют ламинарным (от латинского слова ″lamina″ – слой). Жидкость при этом рассматривается как совокупность отдельных слоёв, движущихся с разными скоростями, не перемешиваясь друг с другом. Движение жидкости, при котором происходят изменения (пульсации) векторов местных скоростей, приводящие к перемешиванию жидкости, называют турбулентным (от латинского слова ″turbulentus″ – беспорядочный, хаотичный).

Исследование течений жидкости в круглой трубе, проведённое О. Рейнольдсом в 1883 году, было документировано не фотографиями, а рисунками. Благодаря сохранившейся экспериментальной установке в Манчестерском университете, столетием позже была сделана серия фотографий исследования течения жидкости (рис. 4).

Рис. 4. Режимы течения жидкости: а) – устойчивый ламинарный;

б) – переходный (область неустойчивых режимов); в) - турбулентный

Для практического применения важно уметь определять режим движения жидкости без непосредственного (визуального) наблюдения за характером движения её частиц. Критерием, позволяющим определить режим движения жидкости без непосредственного наблюдения, является безразмерное число Рейнольдса Re:

Re = , (1.1)

В случае круглых напорных труб в качестве характерного размера потока принимают внутренний диаметр d трубы (в остальных случаях – гидравлический радиус R или глубину жидкости h в открытом канале, русле). Поэтому число Рейнольдса имеет индекс, указывающий выбранную характерную линейную величину. Для круглых напорных труб число Рейнольдса записывается в виде:

Re_d = . (1.2)

Опытами установлено, что устойчивое ламинарное движение жидкости в круглых трубах с обычно встречающейся шероховатостью наблюдается при Re_d < 2000…2300. При Re_d > 8000…12000 в обычных условиях имеет место турбулентный режим движения жидкости. При 2000…2300 < Re_d < 8000…12000 возможен как ламинарный, так и турбулентный режим (область неустойчивых режимов). Практически считают, что при Re_d < 2300 имеет место ламинарный режим движения жидкости, а при Re_d > 2300 -турбулентный. Одной из задач данной работы является определение критического числа Рейнольдса (Re_d)_к, которое может находиться в пределах от 1000 до 2300 (критическим число Рейнольдса является при переходе турбулентного режима движения жидкости в ламинарный и наоборот).

Как видно из формулы (1.2), режим течения жидкости зависит от:

- скорости движения жидкости V;

- плотности жидкости ρ и динамической вязкости μ (кинематическая вязкость ν = μ/ρ);

- температуры жидкости t,ºС (от температуры зависит значение кинематической вязкости ν);

- линейных размеров (площади поперечного сечения потока S).

Помимо выше перечисленных факторов, переход от ламинарного течения жидкости в турбулентный зависит также от шероховатости стенок трубы, от соответствия скоростей течения и плотности подкрашенной струйки жидкости и потока, от возмущений, создаваемых у источника питания потока, от сотрясений русла потока и т. д.

Поскольку опытные исследования по определению режимов течения жидкости проводятся только для круглых труб, то индекс "d" в обозначении числа Рейнольдса в дальнейшем указываться не будет.