Основные теоретические положения. При протекании жидкости по трубкам и каналам могут иметь место два различных по своему характеру режима движения: ламинарный и турбулентный.

При протекании жидкости по трубкам и каналам могут иметь место два различных по своему характеру режима движения: ламинарный и турбулентный.

Впервые мысль о существовании двух режимов движения высказал Д.И. Менделеев в 1880 г. Дальнейшие исследования Н.П. Петрова, а также О. Рейнольдса, наиболее полно исследовавшего этот вопрос, подтвердили положение Д.И. Менделеева о наличии двух режимов движения жидкости.

Ламинарный поток (рис. 4.1) в круглом трубопроводе имеет сложное строение: частицы жидкости движутся с различными скоростями параллельно оси трубы. Скорость движения слоя, соприкасающегося с внутренней стенкой трубы, равна нулю, слои жидкости, расположенные за ним, имеют возрастающие значения скоростей. Движение осевого слоя происходит с максимальной скоростью. Вследствие различия в скоростях движения слои жидкости смещаются друг относительно друга с образованием касательных напряжений на поверхностях скольжения. Эти касательные напряжения обусловлены вязкостью жидкости и подчинены закону жидкостного трения.

Частицы жидкости в турбулентном потоке движутся по беспорядочным траекториям, совершая наряду с поступательным движением вдоль оси потока незакономерные поперечные и вращательные перемещения, что приводит к интенсивному перемешиванию жидкости. При измерении скорости в различных точках потока чувствительными приборами обнаруживаются их импульсы - быстрые и беспорядочные колебания около некоторых средних значений. Скорость движения слоя, примыкающего к стенке, близка к нулю, скорость частиц, расположенных в ядре турбулентного потока, близка к максимальной осевой.

По Прандтлю турбулентный режим состоит из двух областей: ламинарного подслоя и турбулентного ядра потока, между которыми (по данным ЦАГИ) существует еще переходный слой. В переходном ламинарном течении уже нарушается поперечным перемещением частиц, причем чем дальше точка от стенки трубы, тем выше интенсивность перемешивания частиц. Основную часть живого сечения потока (рис.2) занимает ядро потока (толщина слоев показана не в масштабе), в котором наблюдается интенсивное перемешивание частиц, поэтому именно оно характеризует турбулентное движение потока в целом.

Режим движения капельной жидкости зависит от ее вязкости и плотности, геометрических размеров потока (диаметра трубопровода) и скорости движения. Влияние перечисленных физических параметров потока на характер движения определяется величиной критерия Рейнольдса. Он представляет собой отношение кинетической энергии потока к работе сил сопротивления Р_вязк. d, где d — характерный линейный размер, Р_вязк. - сила вязкого сопротивления.

Критерий - безразмерный комплекс величин, объединяющий основные параметры, характеризующие процесс. Критерий Рейнольдса определяется по формуле:

где V - средняя скорость потока, м/с;

d - диаметр трубопровода, м,

υ - кинематический коэффициент вязкости, м² /с;

μ - динамический коэффициент вязкости, Па·с;

ρ - плотность жидкости, кг/м³.

Средняя скорость потока - это фиктивная скорость, соответствующая расходу жидкости (Q) в данном живом сечении (S), т. е.

V = Q/S

При движении жидкости в трубах или каналах некруглого сечения в выражение критерия Рейнольдса вместо диаметра подставляют величину эквивалентного диаметра:

где R_Г - гидравлический радиус, м;

П — смоченный периметр, м.

Величина критерия Рейнольдса, соответствующая переходу одного режима движения в другой называется критической. Для прямых труб Re_кр. ≈ 2320; движение жидкости при Re < 2320 является устойчиво ламинарным; При Re > 2320 движение турбулентно, однако, устойчивый турбулентный характер оно приобретает при Re_кр > 13800. В пределах чисел Re_кр от 2320 до 13800 турбулентное движение является недостаточно устойчивым и называется переходным режимом.