Тема: Определение режима течения жидкости

Лабораторная работа №1

Цель работы: ознакомление с различными режимами движения жидкости, определение критической скорости движения жидкости расчетным путем и по графику Re – ω.

Теоретические основы работы

В гидравлике принято объединять жидкости, газы, пары под единым наименованием – жидкости.

Режим движения жидкости. Движение жидкости является установившимся, или стационарным, если скорость частиц потока, а также все другие влияющие на его движение факторы (плотность, температура, давление и др.), не изменяются во времени в каждой фиксированной точке пространства, через которую проходит жидкость. В этих условиях для каждого сечения потока расходы жидкости постоянны во времени.

Различают ламинарный и турбулентный режимы течения жидкости. движение жидкости, при котором все частицы жидкости движутся по параллельным траекториям, называют струйчатым или ламинарным.

При ламинарном движении распределение скоростей в сечении трубопровода представляет собой параболу (рис. 1.1). Средняя скорость жидкости при ламинарном движении равна половине скорости по оси трубы (максимальной):

(1.1)

Неупорядоченное движение, при котором отдельные частицы жидкости движутся по замкнутым, хаотическим траекториям, в то время как вся масса жидкости в целом перемещается в одном направлении называется турбулентным. При турбулентном движении из-за хаотического движения частиц происходит выравнивание скоростей в основной массе потока, и их распределение по сечению трубы характеризуется кривой, отличающейся по форме от параболы (рис. 1.2). Опыт показывает, что средняя скорость ω_ср при турбулентном движении не равна половине максимальной, а значительно больше:

(1.2)

Опыт показывает, что переход от ламинарного течения к турбулентному происходит тем легче, чем больше массовая скорость жидкости ρ·ω и диаметр трубы d и чем меньше вязкость μ.

Рейнольдс установил, что указанные величины можно объединить в безразмерный комплекс , численное значение которого позволяет судить о режиме движения жидкости. Этот комплекс носит название критерия Рейнольдса (Re):

(1.3)

Критерий Рейнольдса является мерой соотношения между силами вязкости и инерции в движущемся потоке.

Переход от ламинарного движения жидкости к турбулентному характеризуется критическим значением Re_кр. Так, при движении жидкости по прямым гладким трубам Re_кр = 2320. При Re < 2320 течение является ламинарным, поэтому данную область называют областью устойчивого ламинарного течения. При Re > 2320 чаще всего наблюдается турбулентный характер движения. однако при 2320 < Re < 10000 режим течения неустойчивый турбулентный или переходный (смешанный). При Re > 10000 турбулентное движение становится устойчивым (развитым).

Последовательность проведения работы

На рис. 1.3 представлена схема лабораторной установки.

1 – резервуар; 2 – труба; 3 – кран; 4 – бачок с темной краской; 5 – кран; 6 – капилляр

Рис. 1.3 - Схема лабораторной установки

К сосуду (1), в котором поддерживается постоянный уровень воды, присоединена горизонтальная трубка (2). В эту трубку по ее оси через капиллярную трубку (6) вводится тонкая струйка окрашенной воды (индикатор). При небольшой скорости воды в трубе (2) окрашенная струйка вытягивается в горизонтальную нить, которая не размываясь достигает конца трубы. Это свидетельствует о том, что пути частиц прямолинейны и параллельны друг другу. Это ламинарный режим. Если скорость воды в трубе (2) увеличить, то окрашенная струйка приобретает волнообразное движение. Это объясняется тем, что отдельные частицы движутся не параллельно друг другу, а перемешиваются в поперечном направлении. Это – переходный режим.

При дальнейшем увеличении скорости жидкости в трубе (2) окрашенная струйка смешивается с основной массой жидкости и окрашивает ее всю. Значит, частицы движутся по запутанным, хаотическим траекториям. Наблюдается турбулентный режим.

Устанавливая в трубе (2) различные расходы жидкости (при различных скоростях) наблюдают визуальную картину режима движения жидкости.

Обработка опытных данных

Полученные экспериментальные и расчетные данные записывают в отчетную таблицу. Необходимые для расчетов данные о физических свойствах воды (μ, ρ) берут из таблицы 1 – см. приложение А.

По результатам эксперимента строят график (на миллиметровой бумаге) зависимости Re = f(ω) и по графику определяют ω_кр – критическую скорость движения воды в трубе при Re = 2320.

Таблица 1.1 - Отчетная таблица

Показатели	Прямой опыт	Обратный опыт
Объем вытекающей воды V, м3
Время истечения τ, с
Секундный расход воды Vc = V/τ, м3/с
Площадь сечения потока F = ¼ π·d2, м2
Средняя скорость движения воды , м/с
Число Рейнольдса
Температура воды, °С
Визуальные наблюдения режима потока

Контрольные вопросы

1. Основные физические свойства жидкостей: плотность, удельный вес, давление, вязкость.

2. Скорость и расход жидкости.

3. Гидравлический радиус и эквивалентный диаметр.

4. Режимы движения жидкости.

5. Распределение скоростей при ламинарном и турбулентном движении.

Литература

1. А.Г. Касаткин Основные процессы и аппараты химической технологии. М., «Химия», 1973.

2. Н.И. Гальперин Основные процессы и аппараты химической технологии. Книга первая. М., «Химия», 1981.

3. К.Ф. Павлов, П.Г. Романов, А.А. Носков Примеры и задачи по курсу процессов и аппаратов химической технологии. Л., «Химия», 1981.

ПРИЛОЖЕНИЕ А

Таблица 1 - Физические свойства воды

	Температура
20°С	40°С	60°С	80°С	100°С	120°С
Плотность ρ, кг/м3
Вязкость μ, Па·с	1,005	0,656	0,4688	0,3565	0,2838	0,180
Теплопроводность λ, Вт/(м·К)	0,5931	0,6396	0,6629	0,6745	-	-

Таблица 2 - Физические свойства воздуха

Плотность ρ, кг/м3	Динамическая вязкость μ, Па·с	Кинематическая вязкость ν, м2/с	Теплоемкость с, Дж/(кг·К)	Теплопроводность λ, Вт/(м·К)
1,293	17,3	213,4	1,006	0,0261