Режимы движения жидкости

Рядом исследователей (Хеганом в 1869 г., Менделеевым в 1880 г., Рейнольдсом в 1883 г.) было замечено, что существует два принципиально разных режима движения жидкости. Наиболее полно этот вопрос был исследован Рейнольдсом с помощью очень простого прибора (рис. ).

 

 

Рис. . Прибор Рейнольдса для изучения режимов движения жидкости: 1 - сосуд; 2 - стеклянная труба; 3, 5-краны; 4 - напорная емкость; 6 - капиллярная трубка

 

Прибор состоял из сосуда 1, в котором для создания стационарного потока поддерживался постоянный уровень жидкости, и присоединённой к нему стеклянной горизонтальной трубы 2. в начале опыта слегка приоткрывали кран 3, и из сосуда начинала вытекать исследуемая жидкость. Затем в трубу 2 по её оси через капиллярную трубку 6 из напорной ёмкости 4 с помощью крана 5 подавали подкрашенную струйку жидкости, имеющую одинаковые с рабочей жидкостью плотность и скорость. При малых расходах рабочей жидкости тонкая окрашенная струйка продвигалась внутри трубы, не смешиваясь со всей массой жидкости, т.е. пути частиц рабочей и подкрашенной жидкости в этих условиях прямолинейны и движутся они по параллельным траекториям. Таким образом, подкрашенная струйка распространяется вдоль оси трубы невозмущенной (если не считать молекулярной диффузии красителя). Такое установившееся течение было названо ламинарным, потому что деформация жидкости при этом аналогична деформации тонких пластин (слоёв) в пачке, скользящих одна по другой.

При достаточно больших расходах (скоростях) жидкости пове­дение окрашенной струйки совершенно иное. Сначала струйка проходит некоторое расстояние в трубе 2, оставаясь невозмущен­ной, а затем она начинает приобретать волнообразное движение, колеблется из стороны в сторону и, наконец, полностью размы­вается, смешиваясь с основной массой рабочей жидкости. Это неупорядоченное движение с интенсивным перемешиванием по сечению потока было определено Рейнольдсом как волнистое; сейчас его принято называть турбулентным.

Экспериментально установлено, что переход от ламинарного режима к турбулентному зависит не только от скорости потока w, но и от физических свойств жидкости (вязкости μ и плотности ρ) и определяющего геометрического размера - диаметра трубы d: поток ускоряется с увеличением w, d и ρ и c уменьшением μ. Безразмерный комплекс wdρ/μ, в который входят перечисленные величины, позволяет по его значению судить о режиме движения жидкости. Этот комплекс называют числом (критерием) Рейнольдса и обозначают Rе.

Rе = wdρ/μ.

Значение числа Рейнольдса для условий перехода от ламинар­ного режима движения жидкости к турбулентному называют кри­тическим. При движении жидкостей по прямым гладким трубам Re = 2300. При Rе < 2300 режим движения жидкости будет лами­нарным, а при Rе > 10000 - турбулентным. Однако при 2300 < Rе < 10000 режим движения жидкости неустойчив - движение может быть и ламинарным, и турбулентным; эту область значений Rе часто называют переходной. Поэтому считают, что устойчивый (развитой) турбулентный режим при движении жидкостей по пря­мым гладким трубам устанавливается при Rе > 10000.