2.  ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА 2. РЕЖИМЫ ДВИЖЕНИЯ ЖИДКОСТИ

Цель лабораторной работы заключается в изучении ре- жимов движения жидкости и методов определения режима дви- жения жидкости – ламинарного и турбулентного.  

2.1.  Общие сведения

Различают два основных режима течения жидкости: ла- минарный (слоистый) и турбулентный (вихревой). При ламинар- ном режиме частицы жидкости движутся по параллельным тра- екториям без перемешивания, поэтому поток имеет слоистую структуру, то есть жидкость движется отдельными слоями. Тур- булентное движение характеризуется пульсацией давления и скоростей частиц, что вызывает интенсивное перемешивание жидкости в потоке, то есть вихревое движение. Критерием режима течения является число Рейнольдса Re                                                       (2.1) где V – средняя скорость потока, м/с; d – внутренний диаметр трубы (канала), м;       – кинематический коэффициент вязкости жидкости, м²/с. В инженерной практике режим определяют путем сравне- ния числа Рейнольдса Re с его критическим значением Re_кp, со- ответствующим смене режимов движения жидкости. Для равно- мерных потоков жидкости в трубах (каналах) круглого сечения принимают Re_кp = 2320. Из выражения (2.1) следует, что числа Рейнольдса малы и, следовательно, режим ламинарный, при низ- ких скоростях течения в каналах незначительного поперечного сечения (в порах грунта, капиллярах) или при движении жидко- стей с большой вязкостью (нефть, масло, битумы). Турбулент- ный режим в природе и технике встречается чаще. Его законо- мерностям подчиняется движение воды в реках, ручьях, каналах, системах водоснабжения и водоотведения, а также течение бен- зина, керосина и других маловязких жидкостей в трубах.

2.2.  Описание опытного устройства

Устройство для изучения режимов движения жидкости имеет прозрачный корпус (рис. 2 а), баки 1 и 2 с успокоительной   стенкой 3 для гашения возмущений в жидкости от падения струй и всплывания пузырей воздуха. Рис. 2. Схема устройства для изучения режимов движения жидкости: 1, 2 – баки; 3 – перегородка; 4, 5  – опытные  каналы;  6 – щель; 7 – решет- ка; 8 – уровнемерная шкала Баки 1 и 2 соединены между собой каналами 4 и 5 с оди- наковыми сечениями. Канал 4 имеет перегородку с щелью 6, а противоположный конец канала 5 имеет решетку 7 (перегородку со множеством отверстий). Устройство № 3 заполнено смесью воды и микроскопических частиц алюминия. Уровень смеси в баке № 2 измеряется по шкале 8. Устройство (рис. 2) позволяет определить структуру пото- ка и режим движения жидкости визуально, а также с помощью критерия Рейнольдса наблюдать так называемые циркуляцион- ные (водоворотные, вальцовые) зоны, которые образуются при резком изменении поперечного сечения или направления канала. В это время происходит отрыв транзитного потока от стенки. У стенки жидкость начинает двигаться в обратном направлении,   приводя к вращению жидкости между транзитной струей и стен- кой и образованию водоворота.  

2.3.  Порядок проведения работы

Чтобы создать в канале 4 ламинарный режим движения жидкости, необходимо бак 1 заполнить смесью воды и алюмини- евых частиц, поставить устройство № 3 баком 2 на стол (рис. 2  а). Поступающая через левый канал в нижний бак 2 смесь вытес- няет воздух в виде пузырей в верхний бак через канал 5. В ре- зультате этого давления на входе в канал 4, т.е. на дне верхнего бака 1 и над жидкостью в нижнем баке 2, уравниваются и исте- чение происходит под действием постоянного напора Н, создава- емого столбом жидкости в левом канале. Так обеспечивается установившееся (с постоянным во времени расходом) движение жидкости. В канале 4 устанавливается ламинарный режим благо- даря небольшим скоростям течения из-за большого сопротивле- ния щели 6. Измерить время τ поднятия уровня смеси в баке 2 на неко- торую величину S. Изменяя наклон устройства (рис. 2) от себя, изменяем расход смеси через щель 6. При новом положении устройства наклоном его от себя замерить вновь время τ подня- тия уровня S в баке 2. Зафиксировать температуру смеси t, ºС. Повернув устройство (рис. 2) в вертикальной плоскости  по часовой стрелке на 180º (рис. 2 б), в канале 5 можно наблю- дать за турбулентным режимом. Замерить начальный уровень смеси в баке 2 и время τ, за которое бак 2 опорожниться, а также температуру смеси. Замеры провести при двух различных накло- нах устройства от себя. При заполненном смесью баке 2, если устройство (рис. 2) поставить так, чтобы канал 5 (с решеткой) занял нижнее горизон- тальное положение (рис. 2 в), можно наблюдать в канале 5 про- цесс перехода от турбулентного режима движения к ламинарно-   му. При этом обратить внимание на то, что решетка 7 приводит к турбулизации потока за ней. При заполненном смесью баке 2, если поставить устрой- ство так, чтобы канал 4 с щелью 6 занял нижнее горизонтальное положение (рис. 3.1г), можно наблюдать за структурой потока в баке 2 при внезапном сужении, внезапном расширении в канале за щелью 6 и при выходе потока из канала в бак 1, а также за об- разованием циркуляционных зон и транзитной струи. При заполненном баке 1 (рис. 2 д) можно наблюдать структуру течения при обтекании перегородки 3. Наблюдая за структурой потоков в устройстве (рис. 2) при различных положениях этого устройства, сделать зарисовки структуры в виде табл. 2. По измеренной температуре смеси t, °С, рассчитать ее ки- нематический коэффициент вязкости ν по формуле: 2   ν где t – температура жидкости, ºС.   Структура потоков м /с,                     (2.2)     Таблица 2  

Ламинарный режим	Турбулентный режим	Расширение потока	Обтекание стенки

По формуле W = A·B·S, см³, где А и В – размеры попереч- ного сечения бака (указаны на корпусе устройства для изучения режимов движения жидкости), определить объем смеси, посту- пившей в мерный бак за время τ. Расход Q смеси, протекающий через щель 6 (рис. 2 а) или решетку 7 (рис. 2 б) равен: Q = W / (τ·10⁶),  м³/с.                              (2.3)   По расходу Q определяется средняя скорость течения смеси в канале: V = Q / (w·10^–4),  м/с,                               (2.4) где w – площадь поперечного сечения опытных каналов, cм² (указаны на корпусе устройства). По формуле (2.1) определяем число Рейнольдса и, сравни- вая его с критическим числом Рейнольдса (Re_кр), определяем ре- жим движения. Все измеряемые и расчетные данные заносятся в табл. 3. Таблица 3 Экспериментальные данные и значения определяемых величин и режимов движения жидкости

№ п/п	Наименование величин	Обозначе- ние	Размер- ность	№ опыта
				1	2	3	4
1	Уровень смеси в баке 1 или 2	S	см
2	Время наблюдения за изменением уровня S в баке 1 или 2	τ	с
3	Температура смеси	t	°С
4	Кинематический коэффициент вязкости	v	м2/с
5	Объем смеси, поступившей в бак за время τ	W	cм3
6	Расход смеси	Q	м3/с
7	Средняя скорость	V	м/с
8	Число Рейнольдса	Re	–
9	Режим движения смеси

 

2.1.  Вопросы для контроля знаний

1. Чем отличается качественно ламинарный и турбулентный ре- жимы движения жидкости?
2. Каковы основные особенности механизма движения ламинар- ного потока?
3. Каковы основные особенности механизма движения турбу- лентного потока?
4. Как определить число Рейнольдса для круглой трубы?

 

5. От каких параметров потока зависит режим движения жидкости?
6. Что понимают под критическим числом Рейнольдса?
7. Какими способами можно определить режим движения жидкости?
8. При выполнении каких условий возможно ламинарное течение жидкости?
9. Приведите примеры ламинарных течений в природе или в технике.
10. Приведите примеры турбулентных течений в природе или в технике.