 |
Методические указания для выполнения лабораторных занятий
|
|
|
|
Тема 1 Исследование режимов движения
Цель работы:
Установить опытным путем различные режимы движения. Определить при обоих режимах числа Рейнольдса. Отметить переход от ламинарного режима к турбулентному и подсчитать при этом значение.
I. Теоретические сведения.
При изучении движения вязкой жидкости различаются два режима - ламинарный и турбулентный.
Ламинарным называется режим, при котором струйки жидкости
в потоке движутся по прямолинейным или плавно изменяющимся траекториям, слоями, не перемешиваются между собой. Силы внутреннего трения или вязкости, возникающие между слоями при ламинарном движении не дают проявляться пульсами скорости отдельных частиц и их переходу в соседние слои.
Турбулентным называется режим, при котором слоистость движения жидкости нарушена, появляется пульсация скорости, изменение вектора скорости частицы во времени, вызывающая более или менее интенсивное перемешивание жидких частиц в потоке.
Экспериментальные исследования показали, что затрата (потери) энергии в потоке на преодоление сопротивлений по длине существенно зависит от режима движения жидкости, поэтому изучение режимов и закономерностей, их определяющих, имеет большое значение для практики.
Характеристикой режимов движения служит безразмерное число Рейнольдса: 
/I/
составленное из четырех величин, характеризующих поток жидкости
- средняя скорость потока, м/с;
l - линейная характеристика потока, м;
- динамический коэффициент вязкости, Н·с/м2
- плотность жидкости, кг/м3.
Для напорной трубы круглого сечение число Рейнольдса записывается в виде:
/2/
где d - диаметр трубы, м;
ν - кинематический коэффициент вязкости, 
м2/с.
|
|
|
(ν =1,1*10-6м2/с)
Для открытых каналов в качестве линейной характеристики принимается R (
- площадь/смоченный периметр)
/3/
Ламинарный режим потока будет устойчивым для круглых труб при числах Рейнольдса Reα < 2320 и ReR < 580 для открытых потоков.
Числа Рейнольдса Rеd =2320 и ReR=580 соответствуют переходу режима из ламинарного в турбулентный и называется критическим.
При Rеd>2320 и ReR>580 режим движения будет турбулентным, однако, если устранить источники возмущения потока (обеспечить плавный подход потока к трубе, в которой исследуется режим, медленно открывать кран), то и при Rеd>2320 режим может оставаться ламинарным, но не устойчивым, так как при этом достаточно небольшого возмущения потока, чтобы режим из ламинарного перешел в турбулентный.
Потери напора hтр по длине трубы при ламинарном движении пропорциональны первой степени скорости
где КI – коэффициент пропорциональности, зависящий от
размеров трубы и свойств жидкости
При развитом турбулентном режиме потери hтр пропорциональны квадрату скорости:
hтр=К2* 2
В переходной области сопротивления (от до квадратичной к квадратичной), когда касательная напряжения в потоке от сил вязкости соизмеримы с напряжениями от пульсации скорости, вызывающей перемешивание, потери напора hтр пропорциональны скорости в степени выше первой, но ниже второй при этом показатель степени при скорости m=1,25-2,0:
hтр = К * m
2. Порядок выполнения работы
Опыты проводятся на установке (рис.I), состоящей из напорного бака I и присоединенной к нему стеклянной трубы 2 с краном 3 на конце.
Рис. I.
Над напорным баком помещается небольшой бачок 4 с подкрашенной водой, которая по тонкой трубке, снабженной краником 5, может подаваться поток.
Сначала приоткрывается кран 3 для пропуска небольшого расхода воды. При малых скоростях движения воды в трубе вводимая в поток краска не будет перемешиваться с окружающей водой, что укажет на наличие ламинарного режима.
|
|
|
Для вычисления числа Re измеряются объемным способом расход воды: 
Q= 
/4/
где V- объем посуды, м3
τ – время наполнения посуды, с.
Средняя скорость в трубе:
/5/
и температуры воды, позволяющие определить кинематический коэффициент вязкости: ν=f(t)
В конце определяется число Rеd для круглых труб по формуле /2/. Его значение должно быть меньше 2320.
Увеличивая открытие крана и наблюдая за поведением струйки краски в потоке воды можно уловить переходное состояние потока от ламинарного режима к турбулентному. При этом следует повторить все измерения и вычислить значение Rекр.
При последующем открытии крана будет наблюдаться устойчивый турбулентный режим с интенсивным перемешиванием краски с водой. После следует вычислить число Re, значение которого должно быть больше 2320.
3. Контрольные вопросы:
1. Чем отличается структура потока при ламинарном и
турбулентном режимах движения жидкости?
2. Как определить число Рейнольдса для круглой трубы?
3. Что называется критической скоростью?
4. Для чего надо знать режим движения жидкости?
|
|
|
