Исследование смены режимов течения. Определение критических чисел Рейнольдса

Лабораторная работа №1

Тема: «Исследование смены режимов течения. Определение критических чисел Рейнольдса»

Цель работы

Демонстрация режимов течения жидкости и экспериментальное определение критических чисел Рейнольдса для труб круглого сечения.

Основные сведения

Режим течения определяется соотношением возмущающей течение силы инерции и стабилизирующей течение силы вязкости. Отношение этих сил выражается безразмерным числом Рейнольдса:

где  – средняя скорость течения жидкости по сечению трубы;

L – характерный линейный размер поперечного сечения, заполненного жидкостью (так называемого «живого сечения») для труб круглого сечения L=d;

 – кинематическая вязкость.

Средняя скорость находится по формуле

где Q – расход потока, т.е. объем жидкости, протекающий за единицу времени через данное сечение потока, площадь которого равна S. Возможны два принципиально отличающихся режима течения жидкости, получивших название ламинарного (слоистого) и турбулентного (бурного, возмущенного) режимов. При достаточно малых скоростях основного потока, когда число Рейнольдса меньше определенного критического (Re < Re_кр), инерционная сила незначительна по сравнению с силой вязкости, которая упорядочивает движение жидкости, создавая ламинарное движение. При этом окрашенная струйка, введенная в поток, вытягивается вдоль течения в виде тонко очерченной линии. При Re  Re_кр форма окрашенной струйки резко меняется – она приобретает вид более или менее отчетливых завитков. Такая картина отвечает начальной стадии развития турбулентности, а момент ее появления – началу перехода от ламинарного режима к турбулентному (переходный режим). При Re > Re_кр силы инерции преобладают над силами вязкости, и наступает вполне развитая турбулентность. Критическое число Рейнольдса, как правило, заключено в некоторых пределах: Re_кр.н. ≤ Re_кр ≤ Re_кр.в, где Re_кр.в. – максимальное критическое число Рейнольдса, соответствующее переходу ламинарного режима в турбулентный; Re_кр.н – нижнее критическое число Рейнольдса, т.е. минимально возможное число, соответствующее переходу турбулентного режима в ламинарный.

Установление режима движения имеет большое практическое значение, так как он определяет важнейшие характеристики потока, как распределение скоростей, гидравлическое сопротивление, теплоотдачу и др.

Описание установки

Установка Рейнольдса (рис. 1) состоит из напорного бака 1, прозрачной трубы 2 круглого сечения с плавным входом, промежуточного бака 3 с регулирующим краном 4, расходомерного устройства 5, а также системы подачи и слива рабочей жидкости (воды) и системы подачи краски. Промежуточный бак 3 предназначен для устранения влияния крана 4 на распределение скоростей в трубе 2. Расходомерное устройство 5 представляет собой емкость, в днище которой находятся калибровочные отверстия с насадками. При том или ином расходе, поступающем в емкость из крана 4, жидкость в расходомером устройстве 5 устанавливается на определенном уровне, который отсчитывается по шкале. По полученному уровню Н с помощью экспериментальных (тарировочных) зависимостей вычисляют расход Q. Такие устройства для измерения расхода называются данаидами.