Тема 24 ламінарний і турбулентний режими руху рідини
Втрати енергії при русі рідини залежать від режиму руху рідини.
Фундаментальні дослідження питання про режими руху рідини були виконані англійським ученим Осборном Рейнольдсом в 1883 - 1885 роках на спеціальній дослідній установці, схема якої показана на рис. 45. У циліндричну скляну трубку через плавний коноідальний вхід рідина подається з резервуара 1, де вона заспокоюється за допомогою системи решіток. Резервуар (бак) 1 чималих розмірів. Висота рівня рідини в баку підтримується постійною. В кінці скляної труби 2 встановлений кран 3 для регулювання витрати потоку. Вимірювання витрати виконується за допомогою мірного бака 4 і секундоміра.
У вхідній ділянку труби через тонку трубочку 5 з посудини 6 подається підфарбована рідина з щільністю і швидкістю витікання, близькими до цих же характеристикам потоку рідини в трубі. Витрата фарби регулюється краном 7. підфарбований цівка рідини дозволяє візуалізувати (зробити видимої) структуру потоку в трубі.
1 - резервуар (бак); 2 - скляна трубка; 3 - кран для регулювання витрати потоку; 4 - мірний бак; - 5 - трубка для подачі підфарбованою рідини; 6 - посудина з розчином підфарбованою рідини; 7 - кран для регулювання подачі підфарбованою рідини; 8 - кран на вимірному баку
Малюнок 45 - Установка Рейнольдса для вивчення режимів руху рідини
При невеликих значеннях швидкості v підфарбована цівка має вигляд нитки з чітко окресленими кордонами. (Рис. 46, а).
Рух рідини, при якому відсутні зміни (пульсації) місцевих швидкостей, що призводять до перемішування рідини, називають ламінарним (від латинського слова lamina - шар, платівка). Рідина рухається окремими не перемішується шарами
При великих швидкостях пофарбована цівка починає викривлятися і стає хвилеподібною (рис. 46, б). Це відбувається в результаті змін в часі (пульсації) векторів місцевих швидкостей в потоці.
Малюнок 46 - Ламинарное (а) і турбулентний (б, в) рух рідини
Наявність поперечних пульсацій є відмінною рисою турбулентного течії. Тому поява поперечних коливань пофарбованої цівки рідини служить вказівкою на перехід ламінарного режиму в турбулентний.
При подальшому збільшенні швидкості потоку цівка розпадається на окремі добре видні вихори, відбувається перемішування пофарбованої цівки з усією масою поточної рідини. На невеликій відстані від входу (10 ... 20 діаметрів труби) потік виявляється рівномірно забарвленим (рис. 46, в).
Рух рідини, при якому відбуваються зміни (пульсації) місцевих швидкостей за величиною і за напрямком, що призводять до перемішування рідини називають турбулентним (від латинського слова turbulentus - безладний, бурхливий).
Рейнольдс встановив, що перехід від ламінарного течії до турбулентного і навпаки визначається середньою швидкістю течії v. характерним поперечним розміром потоку L. фізичними властивостями рідини: щільністю r і в'язкістю (динамічний коефіцієнт в'язкості h або кінематичний коефіцієнт в'язкості n). У загальному випадку режим руху рідини визначається безрозмірним комплексом, складеним із зазначених величин і званим числом (критерієм) Рейнольдса:
Число Рейнольдса характерізуетотношеніе сил інерції до сил тертя (в'язкості).
Як характерний геометричного розміру живого перетину потоку L найчастіше приймають діаметр труби d (для круглих напірних труб), для некруглих і безнапірних труб гідравлічний радіус R або діаметр еквівалентний. Тоді, відповідно
Re =. =. Redекв =
Швидкість потоку, при якій відбувається зміна режиму руху рідини, називається критичною. Рейнольдс виявив існування двох критичних швидкостей: верхньої критичної швидкості - при переході ламінарного режиму руху в турбулентний, і нижньої критичної швидкості - при переході турбулентного режиму руху в ламінарний. Відповідно розрізняють верхнє і нижнє критичні числа Рейнольдса.