Режими руху рідини. Число Рейнольдса

У 1883 р. англійський фізик Осборн Рейнольдс установив існування двох режимів руху рідин - ламінарного і турбулентного.

Змінюючи за допомогою крана витрату рідини, через прозору трубу лабораторної установки Рейнольдс спостерігав дві різні картини руху підфарбованої струмини рідини.

Два режими руху він назвав ламінарним (від латинського - шаровий) і турбулентним (від латинського - бурхливий, обурений). Це чисто зовнішні, візуальні відмінності двох режимів руху. Коло інженерного застосування цих відмінностей обмежене. Більш важливі енергетичні відмінності між ламінарним і турбулентним режимами Руху. Під час тубулентного руху окремі частки рідини рухаються не паралельно осі труби, а хаотично.

Аналізуючи вплив на режим руху різних параметрів, Рейнольдс запропонував характеризувати його безрозмірним критерієм, складеним з величин, що найбільше впливають на режим течії. Цей критерій називають критерієм Рейнольдса, або числом Рейнольдса. Для випадку напірної течії в круглих трубах

(2.13)

де V- середня швидкість;

d - внутрішній діаметр труби;

v - кінематичний коефіцієнт в'язкості.

З фізичної точки зору цей критерій характеризує співвідношення інерційних сил і сил тертя, зумовлених в'язкістю рідини.

У результаті численних дослідів з рідинами різної в'язкості і на трубах різного діаметра Рейнольдс зазначив два критичні значення критерію Re: нижнє критичне - Re_KpH^=::2320; верхнє критичне - Re_Kp =13800. При Re<Re_KpH течія ламінарна. У практичних розрахунках використовують, як правило, тільки Re_кр.н. Вважають, що якщо Re< Re_крН=2320, то буде ламінарний режим, а коли Re > Re_кр.в, то буде турбулентний. Причому, індекс "Н" опускають і пишуть так: Re_кр =2320.

Швидкості, що відповідають критичним числам Рейнольда, також називають критичними. Наприклад, нижня критична швидкість - це швидкість, нижче якої настає ламінарний рух. Її можна визначити так: (2.14)

У всіх експериментальних визначеннях критичного значен­ня числа Re_Kp за перехідний режим від ламінарного до турбулент­ного беруть такий, який відповідає руйнуванню візуалізованих струменів рідини, тобто початку хаотичного перемішування рухо­мої маси рідини. Основні причини переходу ламінарного режиму у турбулентний такі:

1. Втрата стійкості ламінарного руху і наступний розвиток у струмені випадкових завихрувань.

2. Вплив кінцевих завихрувань, які утворює струмінь.

За ідеєю Тейлора, причиною турбулентності є вихори, що за­роджуються на нерівностях поверхні (шорсткості), по якій тече або яку обтікає струмінь.

Для інженерної практики дуже важливим є визначення втрат при різних режимах руху рідини.

Втрати напору

Рухома рідина на своєму шляху переборює сили тертя об стінки труби або каналу та різні місцеві опори, які трапляються на шляху потоку (крани, засувки, коліна, переходи, трійники то­що), внаслідок чого частка питомої енергії або напір втрачається.

Втрати напору враховуються четвертим членом рівняння Бернуллі. В усіх гідравлічних розрахунках водопровідно-ка­налізаційних систем необхідно враховувати такі втрати напору, тому що за цими втратами підбирають необхідний нагнітач (насос або компресор).

Втрати напору бувають двох видів: втрати напору вздовж потоку h_wl (втрати напору по довжині) і втрати напору на місце­вих опорах h_wm.

Сумарні втрати напору визначаються за формулою

(2.15)

де h_wl - сумарні втрати напору по довжині трубопроводу (русла і т. п.) на всіх його ділянках; h_wm - сумарні втрати напору на місце­вих опорах.

Втрати напору по довжині потоку зумовлені довжиною лінії подачі, шорсткістю стінок каналу (трубопроводу), в'язкістю ріди­ни, яка перекачується.

Втрати напору на місцевих опорах пов'язані з деформацією (зминанням) потоку, зміною характеру та напряму його руху. При цьому утворюються вихори, на формування яких і витра­чається частина енергії (напору).

Якщо відомі всі основні величини потоку (z, р, v), то втрати напору між двома перерізами можна визначити із рівняння Бер­нуллі (2.16)

(2.16)

У системах водопостачання і водовідведення дуже важли­вим є визначення втрат напору в трубопроводах. Адже на загальні втрати напору в системі подачі вибираються необхідні насоси, компресори. Якщо в будь-якій системі подачі води втрати напору більші, ніж напір, який утворює відповідний насос, то така систе­ма працювати не буде.

Місцеві втрати напору виникають у місцях, де змінюється конфігурація потоку, яка призводить до деформації епюр роз­поділу швидкостей. На зміну конфігурації потоку витрачаєтьсядодаткова енергія. Відрізки потоку, в межах яких спостерігається зміна конфігурації, називаються місцевими опорами. Такими місцевими опорами є крани, клапани, коліна, різкі' звуження чи розширення труби або русла річок та ін.

Слід зазначити, що згаданії, вище втрати напору в цілому не втрачаються. Вони зумовлені переходом механічної енергії пото­ку в теплову. Щей ирощес є незворотним.

Механізмі дії сили опору дуже складний. Аналітично поки що не одержані точні теоретичні співвідношення до ш розрахун­ку. Для цього часто використовують емпіричні або напівемпіричні залежності.

Втрати напору по довжині будуть відмінними для різних видів руху потоку.

Поиск по сайту: