Раздел 1. «Основы гидрогазодинамики и тепломассообмена»

Раздел 1. «Основы гидрогазодинамики и тепломассообмена»

Тема 1.2 Динамика жидкости и газа

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА 1

РЕЖИМЫ ДВИЖЕНИЯ ЖИДКОСТИ (2 часа)

Цель работы: Экспериментальным путем проверить возможность использования числа Рейнольдса для установления режима движения жидкости.

1. Общие сведения

Структура потока, а также величина потерь напора при движении жидкости зависят от режима ее движения. Это впервые экспериментально исследовано О. Рейнольдсом в 1883 году. С помощью установки Рейнольдса режим движения может быть определен визуально.

Наблюдая за движением жидкости в прозрачной трубе, можно установить, что при малых скоростях течения краска, поступающая в трубу, движется в окружающей жидкости, не перемешиваясь с ней. Такое параллельно – струйное движение называется ламинарным (слоистым) режимом движения жидкости.

Если увеличивать скорость движения потока в трубе, то при некоторой скорости ламинарный режим движения будет нарушен; окрашенная струйка примет вначале извилистую форму, при увеличении скорости извилистость возрастает, в отдельных местах возникают разрывы струйки. Дальнейшее увеличение скорости вызовет повсеместный разрыв струйки; при скорости, равной она теряет свою форму, перемешиваясь с потоком движущейся жидкости, окрашивая его по всему объему. В этом случае в трубе, наряду с поступательным движением всей жидкости, наблюдается беспорядочное движение отдельных ее частиц. Такое движение жидкости, сопровождающееся интенсивным поперечным перемешиванием молей, называется турбулентным режимом движения жидкости.

При дальнейшем увеличении скорости характер движения жидкости в трубе не меняется. Однако, если теперь уменьшать скорость движения потока в трубе, то смена турбулентного режима ламинарным произойдет при скорости , причем

Скорость, при которой ламинарный режим переходит в турбулентный, называется верхней критической скоростью .

Скорость, при которой турбулентный режим переходит в ламинарный, называется нижней критической скоростью .

При этом, если скорость течения жидкости в трубе будет больше верхней критической скорости (V> ), режим движения всегда будет турбулентным, если меньше нижней критической скорости (), – то всегда ламинарным. В случае будет неустойчивый переходный режим. В переходной зоне при соответствующих условиях может быть устойчив, и для его сохранения требуются особые условия. Малейшие возмущения потока (например, сотрясение трубы, резкий впуск краски и т. д.) вызывают разрушение ламинарного и образование турбулентного режима движения. Значения критических скоростей непостоянны и зависят от физических свойств жидкости, т. е. ее плотности и вязкости, а также от диаметра трубы. При этом, независимо от условий движения, режим движения жидкости характеризуется безразмерным параметром Re, называемым критерием или числом Рейнольдса, который для течения в круглой трубе определяется следующим образом:

,

где V – средняя по сечению скорость движения жидкости; d – внутренний диаметр трубы;

ν - коэффициент кинематической вязкости.

Число Рейнольдса при называется нижним критическим числом, а при – V= верхним критическим числом Рейнольдса.

Экспериментально установлено, что нижнее критическое число Рейнольдса для труб равно 2300. Верхнее критическое число Рейнольдса может изменяться в широких пределах. В практических расчетах пользуются только нижним критическим числом Рейнольдса и считают, что

- если – режим ламинарный;

- если – режим турбулентный.

Неточность определения режима движения идет в запас расчета, так как при одной и той же средней скорости потери напора при турбулентном режиме больше, чем при ламинарном. Исходя из погрешности эксперимента, более оправданно принимать с округлением до. Reкр =2300.

2. Описание экспериментальной установки

Опытная установка состоит из напорного бака А, с присоединенной к нему стеклянной трубки В. Чтобы сделать течение воды в трубке видимым, с помощью тонкой трубки краска из банки D подводится к прозрачной трубке путем открытия крана Е. С помощью крана С можно изменять расход жидкости, протекающей по стеклянной трубке.

3. Методика проведения эксперимента

1. Открывая постепенно кран С, установить в трубке В малую скорость течения жидкости. Затем, открывая кран Е, пустить окрашенную струйку и наблюдать, какую форму она принимает в трубке, добиваясь с помощью «тонкой» регулировки крана С устойчивого ламинарного режима. При этом, если окрашенная струйка неустойчивая или размывается, необходимо уменьшить скорость, а следовательно, расход, прикрывая кран С.

3. Измерить расход воды объемным способом, засекая с помощью секундомера время Т заполнения мерного стакана объемом W.

4. Постепенно увеличить скорость течения в трубе, наблюдая за окрашенной струйкой, за ее формой и состоянием, добиваясь появления извилин и отдельных разрывов струйки.

5. Выполнить п. 3.

6. Установить краном С другую скорость, достаточно большую, чтобы струйка была размыта.

7. Выполнить п. 3 .

8. Данные занести в таблицу.

Таблица

Характеристика	Обозначение	Единицы измерения	Номер опыта
1	2	3
Объем воды	W	м3	0,001	0,002	0,005
Время	T	с	40	40	40
Расход	Q	м3/с
Площадь сечения трубы	ω	м2
Средняя скорость	V	м/c
Температура воды	t	0С
Кинематический коэффициент вязкости	ν	м2/c
Число Рейнольдса	Re	–
Расчетный режим	буква «л» или «т»	–
Наблюдаемый режим	буква «л» или «т»	–	л	перех-одный	т
Сравнение наблюдаемого и расчетного режимов

4. Обработка экспериментальных данных

Расход воды рассчитывается по формуле

Q=W/T,

Средняя скорость определяется по формуле

V=Q/ ω,

где ω- площадь живого сечения стеклянной трубы (d = 1 9мм).

Кинематический коэффициент вязкости рассчитывается по формуле Пуазейля

где t – температура воды в баке, . 0С

Число Рейнольдса

Re=Vd/ν

Определив число Рейнольдса, сравнить его с критическим значением. Reкр

Затем необходимо проанализировать, правильно ли предсказывает число Рейнольдса режим движения. Если правильно, то в последнюю строку таблицы ставится плюс, если неправильно – минус.