лаба №2 гидромех

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №2

ОПРЕДЕЛЕНИЕ РЕЖИМОВ ДВИЖЕНИЯ ЖИДКОСТИ

Цель работы: определение режимов движения жидкости двумя

способами – визуальным и аналитическим.

1 ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ

Значение данной работы заключается в ознакомлении студентов

с правильным определение режимов движения жидкости, т.к. различ-

ные режимы имеют большое применение в технике. Прежде всего при

различных режимах потери напора на преодоление сопротивлений

имеют разное значение. При ламинарном движении потери напора

пропорциональны скорости первой степени. При турбулентном режи-

ме потери напора возрастают и становятся пропорциональны скорости

в степени n, где 1,75 ≤ n ≤ 2 .

Отсюда турбулентный режим требует большего расхода энер-

гии на его поддержание, чем режим ламинарный.

Однако турбулентный режим является наиболее желательным в

различного рода охладителях, при гидравлическом транспортировании

материалов, как обладающий наибольшей энергией и др.

Еще Д.И. Менделеев в 1880 году обратил внимание на суще-

ствование двух режимов движений жидкости, подчиняющихся раз-

личным законам гидравлического сопротивления. А в 1883 году ан-

глийский физик О. Рейнольдс проделал большое количество опытов и

установил критерий существования двух режимов. Схема установки

прибора показана на рисунке 1.1.

Эта установка позволила Рейнольдсу визуально наблюдать раз-

личные режимы движения, наблюдать механизм перехода от ламинар-

ного течения к турбулентному и вычислить критерий этого перехода.

Рисунок 1.1 – Схема экспериментальной установки

В поток жидкости, движущейся по стеклянной трубке В, из

напорного бака А вводится через трубку Д раствор хорошо видимой

краски с плотностью одинаковой или близкой к плотности воды. Кра-

ном К регулируется скорость движения потока в трубке В.

В зависимости от степени открытия крана К струйка краски

движется либо неразрывной нитью, не смешиваясь с потоком, либо

полностью размывается и перемешивается с потоком.

Первый режим бывает при малом открытии крана, т.е. при ма-

лых скоростях и называется ламинарным от греческого lamina – слой,

при котором отсутствует перемешивание жидкости, пульсации скоро-

сти и давления.

Второй наступает при больших скоростях и называется турбу-

лентным/беспорядочным.

При малых скоростях частицы жидкости, двигаясь в параллель-

ных слоях, плавно обтекают выступы на стенках, не возмущая потока

образовавшихся вихрей.

Величины скоростей плавно нарастают от нуля у стенок до мак-

симума в центре потока (рисунок 1.2).

Рисунок 1.2 – Ламинарное течение в круглой трубке

Если ввести в такой поток не одну трубочку краски, а несколько

в различных слоях, то при ламинарном режиме они будут двигаться

параллельно друг другу в различных слоях (рисунок 1.3).

Рисунок 1.3 – Слоистое течение ламинарного потока

Рисунок 1.4 – Турбулизация потока

При увеличении скорости движения жидкости в трубке до неко-

торых величин наступает турбулентный режим, т.е. с интенсивным

перемешиванием и вихреобразованием жидкости, с пульсацией скоро-

сти и давления. Увеличивая плавно открытие крана К, можно заме-

тить, как струйка краски начинает колебаться вокруг своей оси, а затем

полностью перемешивается в потоке (рисунок 1.4). момент перехода

от ламинарного режима к турбулентному называется переходным или

критическим состоянием движущейся скорости. Экспериментальные исследования показывают, что турбулентный поток в трубе разделяет-

ся на две, резко отличающие по структуре области. Непосредственно у

стенки образуется очень тонкая область чисто вязкого движения по-

граничный слой, состоящий из ламинарного подслоя л δл и переходного

слоя. Остальная часть потока – турбулентное ядро, является областью

не зависящей от вязкости, областью турбулентного перемешивания (рисунок 1.5).

Рисунок 1.5 – Структура турбулентного потока в трубе

Средняя скорость, при которой поток из одного режима перехо-

дит в другой, называется критической скоростью. Рейнольдс устано-

вил, что режим течения зависит не только от величины средней скоро-

сти, а также от диаметра трубы или какого либо характерного размера

и от вязкости жидкости.





Безразмерная величина, связывающая среднюю скорость υ, ха-

рактерный размер d и кинематический коэффициент вязкости ν ,

называется критерием или числом Рейнольдса.

Эта зависимость имеет вид:

Re = (1.1)

где υ – средняя скорость течения жидкости в трубе, м/с;

d – характерная линейная величина, м;

ν - кинематический коэффициент вязкости, м2/с.

Если в формулу (1.1) подставить критическую величину сред-

ней скорости, то получим критическое значение числа Рейнольдса Reкр

при котором происходит переход от ламинарного режима к тур-

булентному и наоборот, от турбулентного к ламинарному.

Reкр= (1.2)

По данным опытов Рейнольдса это критическое число для

течения жидкости в круглой трубе равно Reкр ~ 2320

Если вычисленное по формуле (1.1) число Рейнольдса будет

меньше кр Re кр , то режим движения будет ламинарным.

При числах Рейнольдса близких к Re ~ Reкр будет наблюдаться

переходный режим, который можно искусственно затянуть до значи-

тельно больших чисел.

В идеальных лабораторных условиях удавалось наблюдать ла-

минарный режим при Re = 50000 . Однако такой режим весьма не-

устойчив. Достаточно малейшего нарушения, как такой ламинарный

режим переходит в турбулентный.

При числах Рейнольдса больших кр Re > Re режим движения

будет турбулентным.

ПОРЯДОК ПРОВЕДЕНИЯ ОПЫТА

И ОБРАБОТКА ДАННЫХ ОПЫТОВ

1. На трубе В открыть кран К .

2. На трубке Д открыть краник К1 так, чтобы из трубки текла

тонкая струйка краски.

Краник К1 открывают только после открытия крана К и наличия

течения в трубе В, т.к. заранее открытый сосуд F1, может окрасить всю

жидкость в баке А, после чего необходимо будет заменить весь объем

воды в баке.

3. Регулируют скорость течения в трубе В краном К постепенно,

прикрывая его до тех пор, пока краска вытянется тонкой нитью в сре-

дине трубки. Это и будет ламинарный режим движения.

4. После визуального установления режима движения произво-

дят измерение объема жидкости за определенный промежуток времени

(для упрощения расчетов лучше производить замер объема за 100 се-

кунд). Краник от краски К1 закрывают перед производством замера и

открывают кран Е для поддержания постоянного уровне воды в баке А

во время замера.

5. Одновременно производят замер температуры воды, вытека-

ющей из крана К термометром Н .

6. После окончания измерительного периода мерный сосуд уби-

рают из-под крана и производят взвешивание объема воды на весах

или определяют его в мерной посуде.

7. Все данные записывают в бланк протокола.

8. Для получения турбулентного режима кран К следует полно-

стью или почти полностью открыть и повторить вышеперечисленные

операции измерений.

9. Для получения переходного режима или близкого к нему сле-

дует сначала добиться устойчивого ламинарного режима. Затем мед-

ленно открывать кран К до тех пор, пока струйка краски не начнет ко-

лебаться или прерываться.

Всего необходимо сделать 5 опытов при различных расходах.

Обработка данных опытов:

Обработка данных опытов производится в такой пос-

ледовательности:

1. Объем жидкости, замеренной или взвешенной, нужно разде-

лить на время замера, чтобы получить расход жидкости, т.е. количе-

ство жидкости, вытекающей в единицу времени

Q= , ; (2.1)

Q1= = 0,0000065

Q2==0,000025

2. Среднюю скорость движения воды в трубе найдем, если раз-

делим расход на площадь поперечного сечения трубы

v= ,; (2.2)

v1== 0,02

v2== 0,07

Площадь поперечного сечения круглой трубы равна

Sсеч = , м2 (2.3)

Sсеч= =0,00031 м2

где d – диаметр той трубы, через которую протекла жидкость.

3. По измеренной температуре в таблице находят значение ки-

нематического коэффициента вязкости, v 2/с).

Таблица 2.1 – зависимости кинематического коэффициента вяз-

кости воды от температуры

4. Получив таким образом все исходные данные и записав их в соот-

ветствующие графы протокола, вычисляют число Рейнольдса по формуле

Re = (2.4)

Re1= = 950,87

Re2= = 1228,07

и сравнивают их с критическим числом Reкр ~ 2320