Изучение режимов движения жидкости

Краткие теоретические сведения

Опытами установлено, что режим потока может существенно меняться с изменением различных его параметров. Если отдельные слои, струйки жидкости или газа перемещаются, не смешиваясь меж­ду собой, то режим движения потока называется ламинарным. Если частицы жидкости движутся хаотично и течение сопровождается массообменом между слоями (струйками), то режим движения назы­вается турбулентным.

Влияние параметров потока в трубе на переход от одного ре­жима движения к другому было установлено опытами Рейнольдса. Критерием режима течения является комплекс величин, который но­сит название критерия Рейнольдса и для трубопроводов имеет сле­дующий вид:

(2.1)

где L - характерный размер живого сечения; - средняя скорость движения жидкости или газа; d - диаметр трубы; ρ - плотность жид­кости или газа; µ и v - соответственно динамический и кинемати­ческий коэффициенты вязкости жидкости или газа.

Существует некоторое критическое значение числа Рей­нольдса Re_кp, характеризующее границу перехода от одного режи­ма движения жидкости к другому.

Следует иметь в виду, что в различных условиях критиче­ское значение числа Рейнольдса, строго говоря, не одинаково. Так, например, оно снижается, если труба, ограничивающая поток, под­вержена вибрациям или если в потоке имеется источник возмуще­ния; при переходе от ламинарного режима к турбулентному числоРейнольдса выше, чем при обратном переходе и т.д. Для движения потоков жидкости в трубах
Re_кp = 2320.

Цель работы: визуальное наблюдение за движением жидкости в стеклянной трубке и вычисление критерия Рейнольдса для наблю­даемых режимов.

Для визуального наблюдения в поток жидкости вводится струйка подкрашенной жидкости, которая при ламинарном режиме движется в виде отдельной струйки, а при турбулентном размывается в потоке.

Описание установки

Экспериментальная установка (рис. 2) состоит из двух метал­лических баков 2 и 9, соединенных стеклянной трубой 13. Поток по ней движется из бака 9 в бак 2.

Рис. 2.1

Поступление воды из водопровода в бак 9 регулируется краном 8. Регулирование расхода воды в трубе 13 осуществляется краном 1. Для обеспечения устойчивого движения потока по трубе 13 необходимо, чтобы перепад уровней жидкости в баках 2 и 9 оста­вался во время каждого замера одинаковым. С этой целью в баке 9 установлен во­дослив 7 со слив­ной трубой 11.

Водослив позво­ляет сбрасывать излишки воды и тем самым обес­печивать постоян­ство уровня воды на входе в стек­лянную трубу 13.

Для контроля уровня воды в ба­ке 9 служит водомерная трубка 12. С целью снижения начальной степени возмущений потока при входе в трубу бак 9 разделен перегородкой 10, позво­ляющей существенно успокоить поток перед входом в трубу.

Для наблюдений структуры потока при различных режимах его движения в трубу 13 по трубке 5 из бачка 3 вводится подкрашен­ная жидкость, обладающая почти такими же свойствами, что и вода. Поступление подкрашенной жидкости через загнутый под прямым углом конец трубки 5 в трубу 13 регулируется краником 4.

Температура воды при определении кинематического коэф­фициента вязкости измеряется термометром 6.

Расход движущейся жидкости в трубе 13 определяется отно­шением объема воды в мерном баке 14 к времени его заполнения. Объем воды в мерном баке 14 определяется произведением площади его поперечного сечения (S_б = 0, 077 м²) и разностей уровней жидко­сти в водомерной трубке 15. Время заполнения бака 14 фиксируется секундомером. Опорожнение осуществляется открытием крана 16.

Порядок выполнения работы

При выполнении этой лабораторной работы производится три опыта, в каждом из которых необходимо сделать по три замера.

Ø Первый опыт

1. Открытием кранов 1 и 4 создается ламинарный режим движения жидкости (подкрашенная струйка по всей длине трубы 13 не размы­вается).

2. Наполнив бак 14 на заданный преподавателем уровень, остано­вить секундомер и закрыть кран 16.

3. Произвести замер объема воды в баке 14.

4. Измерить температуру воды в баке 9.

5. Записать время заполнения бака, объем воды и ее температуру.

Все замеры при этом режиме произвести еще два раза. При замерах кран 4 можно перекрыть.

Ø Второй опыт

1. При открытом кране 4 медленно открывать кран 1, постепенно увеличивая скорость воды в трубке 13 до тех пор, пока подкрашенная струйка не приобретет волнообразную форму.

2. Повторить п.п.2, 3, 5 и 6 первого опыта.

Ø Третий опыт

1. Постепенно открывая кран 1, увеличивать скорость воды в трубе 13 до полного размыва струйки подкрашенной жидкости (развитый турбулентный режим).

2. Повторить п.п. 2, 3, 5 и 6 первого опыта.

Формулы и данные для вычислений

Расход воды:

, (2.2)

где W_i - объём воды в мерном баке при i - м измерении, м³; t_i - время заполнения бачка при i - м измерении, с.

Средний расход воды в каждом из опытов:

, (2.3)

Кинематический коэффициент вязкости вычисляется методом интерполяции по формуле:

, (2.4)

где Θ - измеренное значение температуры воды; Θ _i и Θ _i+1 - соответ­ственно температуры, для которых температура Θ является проме­жуточной и которым соответствуют следующие значения кинемати­ческого коэффициента вязкости:

	0, 0178 0, 0152 0, 0131 0, 0124		0, 00114 0, 0101 0, 0084 0, 006

v_i и v_i+l - соответственно значения кинематических коэффициентов вязкостей воды, соответствующие значениям температур Θ _i и Θ _i+1.

Число Рейнольдса для каждого из режимов вычисляется по формуле (2.1) или по формуле:

, (2.5)

где d - внутренний диаметр стеклянной трубы стенда.

Опытные и расчетные величины