Краткие сведения о режимах течения

Опыты показывают, что существует 2 вида течения жидкости в трубах.

1. Ламинарное (слоистое течение);

2. Турбулентное (бурное, возмущенное).

При ламинарном режиме течения жидкость движется без перемешивания слоев, плавно изменяя скорость. При таком течении все линии тока вполне определяются формой русла, по которому течет жидкость.

При турбулентном режиме течения происходит интенсивное перемешивание слоев жидкости в направлении, перпендикулярному основному течению, сопровождаемое пульсациями скорости и давления, что приводит к резкому возрастанию сопротивления движению жидкости по сравнению с ламинарным режимом течения. Помимо поперечных движений объемов жидкости присутствуют и вращательные движения. Все это позволяет принять коэффициент неравномерности потока α ≈ 1,0.

Смена режимов течения жидкости в трубе происходит при определенной скорости течения, называемой критической скоростью V_кр.

Для определения режимов течения жидкости вводится число Рейнольдса, которое представляет собой отношение силы инерции к силе вязкого трения:

,

где d – диаметр трубы, – кинематический коэффициент вязкости, V – средняя скорость потока в рассматриваемом сечении.

При Re<Re_кр (нижнее критическое число) имеет место ламинарный режим течения, при Re>Re_кр – либо турбулентный режим, либо зона неустойчивого движения (переходная зона). Для труб при напорном движении жидкости нижнее критическое число Рейнольдса принимается Re_кр = 2300. Развитый турбулентный режим обычно устанавливается при Re = 4000. В переходной зоне (Re>Re_кр) возможны два режима течения, при этом ламинарный режим течения в этой зоне неустойчив и его существование зависит от дополнительных возмущений потока. Переход от ламинарного течения к турбулентному также зависит от условий течения (шероховатости поверхности труб, условий входа потока в трубу и др).

Отметим, что при Re<Re_кр ламинарное течение является вполне устойчивым: всякого рода искусственная турбулизация потока и его возмущения (сотрясение труб, введение в поток колеблющегося тела и др.) погашаются влиянием вязкости и ламинарное течение восстанавливается. Турбулентное течение при этом неустойчиво. При Re>Re_кр, наоборот, турбулентное течение устойчиво, а ламинарное ­– неустойчиво.

Определение режима движения жидкости в практических расчетах имеет важное значение, так как позволяет достоверно определить потери при движении жидкости в трубопроводах и т.п. Опыты показали, что потери напора по длине потока при ламинарном режиме движения пропорциональны средней скорости течения в первой степени , для турбулентного – средней скорости течения в степени n: , . При развитой турбулентности . Здесь – коэффициенты пропорциональности.