ОП.05. Основы гидравлики и теплотехники
Урока)
Гр. 5. Основы гидравлики и теплотехники
Преподаватель: Рыжонкова С.А.
Адрес электронной почты: ryzhonkovasvetlana@yandex.ru
Тема: Практическое занятие № 4 по теме: Ламинарный и турбулентный режимы движения жидкости
Цель: Изучитьламинарный и турбулентный режимы движения жидкости
Форма работы: индивидуальная, дистанционное обучение
Тип урока: Практическое занятие (2 урока)
Обеспечение занятий: калькулятор, линейки, карандаши, ручки, рабочая тетрадь.
Место проведения: индивидуальное, электронное обучение
Время проведения: 2 часа, (2 урока).
Практическая часть:
1. Движение реальных жидкостей
2. Пограничный слой
3. Ламинарный режим движения жидкости
4. Турбулентный режим движения жидкости
5. Число Рейнольдса
Методические указания к практической работе описание самой работы
1.Записать в тетрадь как происходит движение реальных жидкостей
2. Записать в тетрадь опыт Рейнольдса
3. Нарисовать рисунки 3.4
4. Записать в тетрадь формулу 3.17
5. Записать в тетрадь чему равно Число Рейнольдса при ламинарном и турбулентном режиме движения жидкости
6. Ответить на контрольные вопросы
Краткие теоретические сведения
Ламинарный и турбулентный режимы движения. Опыты Рейнольдса
Рассматривая жидкость как идеальную, мы пренебрегаем ее вязкостью. Это приводит к тому, что сопротивление тела, равномерно движущегося в неограниченном пространстве, оказывается равным нулю, а это противоречит данным опытов с реальными жидкостями. В реальных жидкостях со стороны слоя, движущегося медленно, действуют силы, замедляющие движение частиц слоя, движущегося с большей скоростью и, наоборот, частицы слоя с большей скоростью ускоряют более медленный слой. При малых скоростях движения жидкости один слой скользит по другому. Слой у стенки прилипает к ней. Силы вязкости пропорциональны изменению скорости потока в нормальном направлении к скорости. Наиболее сильно они будут сказываться там, где изменения скорости велики. Расположенная около поверхности тела (трубы, канала) область течения вязкой жидкости, в которой изменяется скорость, называется пограничным слоем.
Вне пограничного слоя влияние вязкости проявляется слабо и поведение вязкой жидкости близко к поведению идеальной. В вязкой жидкости складываются два движения: хаотичное движение молекул и направленное движение всего потока. С учетом этого можно уточнить понятие пограничного слоя. Пограничный слой представляет собой область течения вязкой жидкости, в которой силы трения и инерции имеют одинаковый порядок. Многочисленными наблюдениями и опытами установлено, что существует два основных режима движения жидкостей: ламинарный и турбулентный.
При ламинарном режиме вся масса жидкости движется параллельными скользящими друг по другу несмешивающимися струйками или слоями.
При турбулентном режиме отдельные частицы жидкости движутся по произвольным сложным траекториям, струйки перемешиваются и поток жидкости представляет собой беспорядочно движущуюся массу.
Впервые предположение о существовании двух режимов движения жидкости высказал в 1880 г. Позднее оно было подтверждено опытным путем О. Рейнольдсом в 1883 г. Он пропускал воду через стеклянные трубки разного диаметра, регулируя скорость движения воды в них кранами 1 и 5 (рис. 3.4). По тонкой трубке 3 с заостренным концом к входу в стеклянную трубку 4 подводилась окрашенная жидкость из сосуда 2. Средняя скорость в трубке 4 площадью сечения ω определялась по объему воды W, поступившей в сосуд 6 за время t: ν = W/ (ω t).
Опыты, проводившиеся при постоянном напоре (для его поддержания была использована сливная трубка 7), показали, что при малых скоростях
движения воды в трубке 4 краска движется в ней в виде тонкой струйки параллельно стенке, не перемешиваясь с водой. После достижения определенной для данных условий опыта средней скорости движение частиц жидкости становится беспорядочным, струйка краски начинает размываться, отчего вся вода в трубке окрашивается.
Размывание струйки происходит вследствие образования вихрей и беспорядочного движения частиц. Однако у стенки, как и при ламинарном режиме, скорость остается равной нулю.
При турбулентном течении жидкости в трубе можно говорить лишь о ее средней скорости. Характер течения зависит от средней скорости жидкости νср, диаметра трубопровода d, динамической вязкости μ и плотности жидкости ρ. Все эти факторы учитываются безразмерным комплексом, получившим название «число Рейнольдса»
(3.17)
где ν — кинематическая вязкость.
Физически число Рейнольдса характеризует отношение сил инерции и сил вязкости в потоке жидкости. Таким образом, режим движения жидкости для каждого конкретного случая зависит от числа Рейнольдса. Многочисленными опытами установлено предельное значение число Рейнольдса, при превышении которого поток из ламинарного переходит в турбулентный. Это значение называется критическим числом Рейнольдса Reкр = 2320.
Средняя скорость, соответствующая ему, называется критической скоростью
(3.18)
Для потоков с сечением другой формы в качестве характеристики используют гидравлический радиус Rг или эквивалентный диаметр d экв:
(3.19)
Число Рейнольдса является критерием, определяющим режим течения жидкости в трубах. При Re < 2320 движение жидкости происходит при ламинарном режиме, при Re > 2320 — при турбулентном. При переходе от ламинарного движения к турбулентному и наоборот наблюдается промежуточный (переходный) режим (Re = 2320...4000), при котором струйки имеют волнистый профиль, но не перемешиваются между собой. Вполне развитое турбулентное течение в трубах устанавливается при Re = 4000.
Контрольные вопросы:
1. Дайте определение ламинарного режима течения
2. Дайте определение турбулентного режима течения
3. Перечислите факторы, от которых зависит характер течения жидкости в трубах
4. В чем заключается физический смысл числа Рейнольдса?
5. Что означает критическое число Рейнольдса?
Основные источники:
1. О.Н. Брюханов А.Т. Мелик-Аракелян В. И. Коробко
Основы гидравлики и теплотехники 2014 г.
Дополнительные источники: