Два режима движения жидкости

В 1883 г. английский физик Рейнольдс с помощью весьма простого и наглядного эксперимента показал, что существует 2 существенно отличных друг от друга режима движения жидкости. Установка Рейнольдса состояла из бака 1, трубы 2, мерного бачка 3, сосуда с окрашенной жидкостью 4 и трубки 5 для ввода краски в трубу 2 (рис. 6.1).

Опыты показали, что при малой скорости движения жидкости вводимая в нее окрашенная жидкость движется в виде отчетливо выраженной струйки, не смешиваясь с потоком неокрашенной воды (рис.6.2). При возрастании скорости движения жидкости струйка начинает колебаться и принимает волнообразное очертание. Наконец, при каком-то определенном значении скорости окрашенная струйка полностью размывается жидкостью. Жидкость начинает двигаться, перемешиваясь (рис.6.3).

Рис. 6.1

Рис.6.2 Рис.6.3

Режим движения жидкости без перемешивания слоев был назван ламинарным ( движение жидкости слоями ).

Режим движения жидкости с перемешиванием слоев был назван турбулентным (беспорядочное движение жидкости). Средняя скорость течения жидкости , при которой происходит смена режимов движения потока, называется критической скоростью.

При проведении опыта в обратном порядке, т.е. при уменьшении скорости движения жидкости, происходил переход турбулентного режима в ламинарный, однако при несколько иной критической скорости < . Поэтому необходимо различать две критические скорости: верхнюю и нижнюю критическую скорость , причем > .

Верхней (большей) критической скоростью называется скорость, при которой ламинарный режим движения переходит в турбулентный.

Нижней (меньшей) критической скоростью называется скорость, при которой турбулентный поток переходит в ламинарный.

Но скорость непосредственно не может являться критерием, указывающим на режим движения жидкости. Как показали опыты Рейнольдса, в трубах различного диаметра и при различных жидкостях нижняя критическая скорость, к примеру, оказывалась различной по величине. Таким критерием, как показывает теория подобия, должен быть критерий подобия, а именно, определяющий критерий Рейнольдса

.

Опыты подтвердили, что нижнее критическое число Re при переходе турбулентного режима в ламинарный имеет всегда одно и то же значение при любом диаметре трубы, скорости движения жидкости и при любой жидкости и оно равно Re_кр = 2320.

Таким образом, условие существования различных режимов для потоков в трубах могут быть сформулированы в следующем виде.

1. Ламинарный режим безусловно существует при числе Рейнольдса, меньшем нижнего критического числа (Re < ).

2. Турбулентный режим безусловно существует при числе Рейнольдса, большем верхнего критического числа (Re > ).

3. Оба режима возможны (но ламинарный режим неустойчив) при <Re < .

Опыты показывают, что путем устранения возможных возмущений потока и при плавном входе в трубу можно затянуть переход ламинарного движения в турбулентное до значений чисел Re = 50000 и более. Однако такой ламинарный режим будет неустойчив. Достаточно малейшего возмущения как ламинарный режим тотчас же переходит в турбулентный.

Поскольку значение нижнего критического числа является весьма устойчивым, при практических расчетах принято считать, что при Re < 2320 режим ламинарный, а при Re > 2320 - турбулентный.

При этом движение в неустойчивой зоне исключается, что приводит , как будет ясно из дальнейшего, к некоторому расчетному запасу в случае, если при Re > 2320 движение будет ламинарным.