Режими руху рідини

Лекція 4. ГІДРАВЛІЧНІ ОПОРИ

Втрати енергії (зменшення гідравлічного напору) можна спостерігати в рідині, що рухається, не тільки на порівняно довгих ділянках, але й на коротких. В одних випадках втрати напору розподіляються (іноді рівномірно) по довжині трубопроводу - це лінійні втрати; в інших - вони зосереджені на дуже коротких ділянках, довжиною яких можна зневажити, - на так званих місцевих гідравлічних опорах: вентилі, усілякі закруглення, звуження, розширення і т.д., отже всюди, де потік перетерплює деформацію. Джерелом втрат у всіх випадках є в'язкість рідини.

Слід помітити, що втрати напору й по довжині й у місцевих гідравлічних опорах істотно залежать від так званого режиму руху рідини.

При спостереженні за рухом рідини в трубах і каналах, можна помітити, що в одному випадку рідина зберігає певний лад своїх часток, а в інших - переміщаються безсистемно. Однак вичерпні досвіди по цьому питанню були проведені Рейнольдсом в 1883 р. На мал. 4.1 зображена установка, аналогічна тій, на якій Рейнольдс робив свої досвіди.

Мал. 4.1. Схема установки Рейнольдса

Установка складається з резервуара А с водою, від якого відходить скляна труба В с краном З на кінці, і сосуду D з водяним розчином фарби, яка може по трубці вводитися тонким струмком усередину скляної труби В.

Перший випадок руху рідини. Якщо трохи відкрити кран С и дати можливість воді протікати в трубі з невеликою швидкістю, а потім за допомогою крана Е впустити фарбу в потік води, то побачимо, що введена в трубу фарба не буде перемішуватися з потоком води. Струмок фарби буде чітко видимий уздовж усієї скляної труби, що вказує на прошаркуватий характер течії рідини й на відсутність перемішування. Якщо при цьому до труби приєднати п'єзометр або трубку Піто, то вони покажуть незмінність тиску й швидкості за часом. Такий режим руху називається ламінарний.

Другий випадок руху рідини. При поступовому збільшенні швидкості течії води в трубі шляхом відкриття крана З картина течії спочатку не міняється, але потім при певній швидкості течії наступає швидка її зміна. Струмок фарби по виходу із трубки починає коливатися, потім розмивається й перемішується з потоком води, причому стають помітними вихроутворення й обертовий рух рідини. П'єзометр і трубка Піто при цьому покажуть безперервні пульсації тиску й швидкості в потоці води. Така течія називається турбулентною (мал.4.1, угорі).

Якщо зменшити швидкість потоку, то відновиться ламінарна течія.

Отже, ламінарною називається шарувата течія без перемішування часток рідини й без пульсації швидкості й тиску. При ламінарній течії рідини в прямій трубі постійного перерізу всі лінії струму спрямовані паралельно осі труби, при цьому відсутні поперечні переміщення часток рідини.

Турбулентною називається течія, що супроводжується інтенсивним перемішуванням рідини з пульсаціями швидкостей і тисків. Поряд з основним поздовжнім переміщенням рідини спостерігаються поперечні переміщення й обертові рухи окремих об’ємів рідини. Перехід від ламінарного режиму до турбулентного спостерігається при певній швидкості руху рідини. Ця швидкість називається критичною υ _кр.

Значення цієї швидкості прямо пропорційно кінематичній в'язкості рідини й назад пропорційно діаметру труби.

де ν - кінематична в'язкість; k - безрозмірний коефіцієнт; d - внутрішній діаметр труби.

Вхідний у цю формулу безрозмірний коефіцієнт k, однаковий для всіх рідин і газів, а також для будь-яких діаметрів труб. Цей коефіцієнт називається критичним числом Рейнольдса Re_кр і визначається в такий спосіб:

Як показує досвід, для труб круглого перерізу Re_кр приблизно рівно 2300.

Таким чином, критерій подоби Рейнольдса дозволяє судити про режим течії рідини в трубі. При Re < Re_кр течія є ламінарною, а при Re > Re_кр течія є турбулентною. Точніше кажучи, цілком розвинена турбулентна течія у трубах встановлюється лише при Re приблизно рівно 4000, а при Re = 2300…4000 має місце перехідна, критична область.

Режим руху рідини на пряму впливає на ступінь гідравлічного опору трубопроводів.

Дата добавления: 2014-01-07