Лабораторная работа № 1. Демонстрация режимов течения жидкости. Определение критерия Рейнольдса

Режимы течения жидкости впервые были изучены английским физиком Рейнольдсом. Он экспериментально установил, что существует два режима течения жидкостей:

- ламинарный – когда частицы жидкости движутся по прямолинейным параллельным траекториям;

- турбулентный – когда частицы жидкости движутся не только в продольном, но также и в поперечном направлении, т.е. движутся по хаотическим, запутанным траекториям, сохраняя при этом общее направление движения.

Рейнольдс установил, что режим течения прямо зависит от скорости частиц жидкости (w, м/с), ее плотности (r, кг/м³) и диаметра трубопровода (d,м) и обратно зависит от вязкости жидкости (m-динамический коэффициент вязкости, кг/м·с).

Предложенный им комплекс указанных величин был назван критерием Рейнольдса:

.

Учитывая, что вязкость может быть охарактеризована кинематическим коэффициентом вязкости , м²/c, критерий Рейнольдса можно записать в

виде .

Критерий Re – величина безразмерная.

Его физический смысл - это мера соотношения между силами инерции и силами трения в потоке жидкости или влияние трения на движение жидкости.

По численному значению критерия Re можно судить о режиме течения жидкости. При движении жидкости по круглым гладким трубам при Re<2320 имеет место ламинарный режим, при 2320<Re<10000 – переходный, при Re>10000 наступает устойчивый (развитый) турбулентный режим.

Цель настоящей работы: повторить опыты Рейнольдса, убедиться в существовании в природе двух режимов течения жидкостей и определить численные значения критерия Re для ламинарного и турбулентного режимов.

Работа выполняется на установке, приведенной на рис.2.

Она состоит из напорного бака 1, подвод воды в который осуществляется по трубопроводу 2, а излишек воды сливается в канализацию по трубопроводу 3. Бак оборудован указателем уровня 4 и снабжен термометром 5. На нем также установлена емкость с краской 6. В днище бака закреплена стеклянная трубка 7 с внутренним диаметром d =21^.10^-3 м. Под трубкой находится сборник 9 с площадью днища F_сб=7,8^.10^-4 м², оснащенный мерной иглой 10 для измерения вы- соты слоя жидкости в сборнике. Вентилем 11 регулируется подача воды в бак 1, вентилем 12 регулируется расход воды в стеклянной трубке, вентилем 13 - расход краски, вентилем 14 осуществляется сброс воды из сборника в канализацию.

Рис. 2. Установка для демонстрации режимов движения жидкости:

1 – напорный бак; 2 – водоподводящий трубопровод; 3 – сливной трубопровод; 4 – указатель уровня воды в баке; 5 – термометр; 6 – емкость для краски; 7 – стеклянная трубка; 8 – капилляр для подвода краски; 9 – сборник; 10 – мерная игла; 11,12,13,14 – вентили