Описание устройства лабораторной установки

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА

Тема: Режимы течения

Цель работы: Освоение расчетного метода определения режима течения.

Общие сведения

Реальные жидкости обладают вязкостью, из-за чего локальная скорость изменяется от нуля на неподвижной стенке до максимальной вели чины в центре трубы. Характер движения жидкости зависит не только от средней скорости потока, но и от геометрических размеров потока: Эквивалентного диаметра, вязкости и плотности жидкости. Влияние перечисленных физических параметров потока на характер движения определяется величиной безразмерного комплекса и называется критерием Рейнольдса ( Re )

Re = w · d/v, или Re = w·ρ·d / µ

где w – средняя скорость потока, м/с d – эквивалентный диаметр трубопровода, м; v - кинематическая вязкость, м² /с; ρ - плотность жидкости, кг/м³ ; µ -динамический коэффициент вязкости, Н с/м²

Критерий Рейнольдса показывает соотношение сил инерции, характеризующихся скоростью потока и его размерами и сил внутреннего трения, характеризующихся вязкостью потока. Из этого следует, что турбулентное течение свойственно потокам, обладающим развитыми силами инерции, а ламинарное движение характерно для потоков, в которых силы внутреннего трения преобладают над силами инерции.

Re<2300 2300< Re<10⁴ Re>10⁴

Рисунок 1 - Схема движения окрашенной струйки

Экспериментально установлено, что для ламинарного режима числовая величина критерия Рейнольдса ( Re ) всегда меньше, а для турбулентного режима всегда больше некоторого «критического» значения Re_кр = 2300.

Эксперименты с подачей окрашенной струйки в поток жидкости показывает, что в зависимости от числа Re реализуется ламинарный или турбулентный режим с переходной областью между ними ( см. рис 1)

Ламинарный режим: поток основной жидкости течет параллельными слоями и окрашенная струйка движется прямолинейно. Локальная скорость постоянна во времени. Этот режим наблюдается в области Re < 2300.

Ламинарный режим наблюдается при низких скоростях течения в каналах незначительного поперечного сечения ( в порах грунта, капиллярах) или при движении жидкостей с большой вязкостью (нефть, масло, битумы).

Переходная область: течение становится нестационарным. Окрашенная струйка принимает волнистую форму, разрывается на отдельные «завитушки». Локальная скорость плавно изменяется во времени. 2300<Re<10⁴.

Турбулентный режим : поток является существенно нестационарным из-за возникновения и разрушения многочисленных вихрей разного масштаба. Окрашенная струйка сразу «размывается» т.е происходит интенсивное перемешивание. Локальная скорость пульсирует около осреднённого значения. За начало турбулентного режима условно принято Re = 10000. Турбулентный режим в природе и технике встречается чаще. Его закономерностям подчиняется движение воды в реках, ручьях, каналах, системах водоснабжения и водоотведения, а также течение бензина, керосина и других маловязких жидкостей в трубах.

Таким образом критерий Рейнольдса определяет режим движения потоков. Число Рейнольдса необходимо знать: а) для расчета гидравлического сопротивления; б) для расчета скорости осаждения частиц; в) для расчета теплоотдачи между стенкой и потоком.

Описание устройства лабораторной установки

Устройство имеет прозрачный корпус, баки 1 и 2 с успокоительной стенкой 3 для гашения возмущений в жидкости от падения струй и всплывания пузырей воздуха. Баки между собой соединены опытными каналами 4 и 5 с одинаковыми сечениями. Конец канала 4 снабжен перегородкой с щелью 6, а противоположный конец канала 5 – решёткой (перегородкой со множеством отверстий) 7. Устройство заполнено водой, содержащей микроскопические частицы алюминия для визуализации течения. Уровень воды в баке 2 измеряется по шкале 8.

Устройство работает следующим образом. В вертикальном положении поступающая через левый канал в нижний бак вода вытесняет воздух в виде пузырей в верхний бак. Поэтому давление на входе в канал (на дне верхнего бака) и над жидкостью в нижнем баке уравновешиваются и истечение происходит под действием постоянного напора Н, создаваемого столбом жидкости в левом канале. Так обеспечивается установившееся ( с постоянным во времени расходом) движение жидкости. Причём в канале 4 устанавливается ламинарный режим благодаря низким скоростям течения из-за большого сопротивления щели 6. В свою очередь малое гидравлическое сопротивление решётки 7 обеспечивает получение турбулентного течения в канале 5 за счет больших скоростей. Расход можно уменьшить наклоном устройства от себя.

Рисунок 2 - Схема лабораторного устройства

Где 1, 2- баки; 3 - перегородка; 4, 5 - опытные каналы; 6 - щель; 7 - решетка; 8 – уровнемерная шкала