Цель работы.
Установить опытным путём режим движения жидкости в трубопроводе. Определить характер зависимости потерь напора по длине трубы от режима движения.
Основные теоретические положения.
Движение жидкостей в трубопроводах и каналах сопровождается потерями напора на преодоление сопротивлений. Величина этих потерь зависит, при прочих равных условиях, от режима движения жидкости. Различают два режима движения жидкости: ламинарный и турбулентный.
Ламинарным называется режим, при котором все частицы жидкости в потоке перемещаются слоями, не перемешиваясь между собой. Траектории соседних частиц мало отличаются друг от друга, пульсации скорости частиц отсутствуют
Турбулентным называется режим, при котором частицы жидкости совершают неупорядоченные движения по сложным траекториям, что приводит к интенсивному перемешиванию между слоями. Скорость движения частиц нарушается, появляется пульсация скорости.
Турбулентное течение является наиболее распространённой формой течения, наблюдающейся в природе (в атмосфере, в морских течениях, в движениях межзвёздного вещества) и в технике (течение в трубах, в каналах, в теплообменных аппаратах, гидравлических машинах и т.д.).
Турбулентное течение наступает в результате потери устойчивости ламинарного течения. При этом отношение инерционных сил, действующих на частицы жидкости, к силам вязкости превосходит некоторый предел. Это отношение характеризуется безразмерной величиной – числом Рейнольдса:
 |
(1)
где: ρ – плотность жидкости, кг/м3;
w – средняя скорость течения, м/с;
L – линейный размер, м;
μ – коэффициент динамической вязкости жидкости, кг/м·с.
При движении жидкости в круглой трубе в качестве линейного размера используют диаметр трубы d. Вместо коэффициента динамической вязкости μ часто пользуются коэффициентом кинематической вязкости жидкости:
 |
м2/с (2)
Тогда выражение для числа (критерия) Рейнольдса примет вид:
 |
(3)
Турбулентное движение в трубах наступает по экспериментальным данным при Re ≈ 2300. При меньших значениях Re случайные возмущения в жидкости затухают и движение продолжает оставаться ламинарным. Другим условием ламинарного движения является длина начального (входного) участка трубопровода. Она должна быть достаточной для того, чтобы всякого рода возмущения частиц, неизбежно образующиеся при входе, могли бы исчезнуть и само движение частиц могло бы стать упорядоченным. Считается, что длина L этого входного участка, необходимого для существования ламинарного движения, должна удовлетворять следующему равенству:
L > 0.05 Re·d (4)
Развитое турбулентное движение в трубах устанавливается при Re > 10 000. Режим движения жидкости при 2300 < Re < 10 000 называют переходным.
При ламинарном движении жидкости в трубах малого диаметра величина скорости частиц от оси к стенке убывает строго по параболическому закону; при этом максимальная скорость частиц на оси трубы вдвое больше средней скорости, определяемой путём деления секундного расхода на площадь поперечного сечения. При турбулентном движении распределение осреднённой во времени скорости по сечению трубы отступает от параболического закона и характеризуется быстрым нарастанием скоростей у стенок и малой кривизной профиля скорости в центральной части трубы (рис.1).
Рис 1. Распределение скоростей по сечению трубы: а – при
ламинарном движении; б – при турбулентном движении.
Потери напора по длине трубы при ламинарном движении пропорциональны первой степени скорости жидкости:
hw = k1w (5)
При развитом турбулентном режиме движения потери напора пропорциональны квадрату скорости жидкости:
hw = k2w2 (6)
В переходной области (от пропорциональной до квадратичной) потери напора определяются формулой:
hw = k3wm (7)
где показатель степени принимает значения m = 1,7÷2,0.
В формулах (5) – (7): ki - коэффициент пропорциональности, зависящий от размеров трубы и свойств жидкости.