Визначення режимів руху рідини в циліндричній трубі

 

 

Мета роботи

 

Провести візуальне спостереження за характером руху рідини в скляній циліндричній трубі при різній її швидкості, визначити числа Рейнольда і режим течії.

 

 

Загальні положення

 

В природі існують два принципово різних режимів руху рідини: ламінарний і турбулентний.

При ламінарному режимі рідина рухається шарувато, без перемішування її частинок, а також без пульсацій швидкості і тиску. В прямій трубі постійного перерізу усі лінії току направлені паралельно осі труби. В загальному випадку ламінарного руху форма ліній току визначається конфігурацією стінок, що обмежують потік.

При турбулентному режимі течія рідини супроводжується інтенсивним її перемішуванням, пульсаціями швидкостей і тисків. Рух окремих частинок є неупорядкованим, траєкторії їх мають різноманітний вид. Пояснюється це тим, що при турбулентному русі поряд з основним, поздовжнім переміщенням рідини, мають місце поперечні переміщення і обертальний рух окремих частинок.

Існування двох режимів руху рідини було підтверджене експериментально у 1883 році англійським вченим О.Рейнольдсом.

Досліди Рейнольдса показали, що основним критерієм для визначення режиму руху служить безрозмірне число, яке має його прізвище і визначається за формулою:

 

(5.1)

 

де V – швидкість руху рідини;

d – діаметр труби;

υ – коефіцієнт кінематичної в’язкості рідини.

 

Фізичний смисл числа Рейнольдса: це є величина, пропорційна відношенню сил інерції до сил тертя, що спричинюються в’язкістю.

Число Рейнольдса, при якому ламінарний режим руху рідини переходить у турбулентний, називають критичним.

 

(5.2)

 

Швидкість, що відповідає критичному числу Рейнольдса, має назву критична швидкість і визначається за формулою:

 

5.3)

 

На підставі досліджень Re_кр ≈ 2300. При Re < 2300 рух рідини відбувається при ламінарному режимі, при Re > 2300 – при турбулентному режимі.

Маючи швидкість руху рідини, її в’язкість і діаметр труби, можна розрахунковим шляхом визначити режим течії за формулою (5.1).

На практиці мають місце як ламінарний, так і турбулентний режими руху. Перший режим спостерігається в основному у тих випадках, коли по трубах протікають достатньо в’язкі рідини, наприклад мастила та інші. Другий має місце у водопроводах, а також у трубах, якими протікають бензин, керосин, спирти, кислоти та інші малов’язкі рідини.

 

Опис лабораторної установки

 

Установка для спостереження за режимами руху рідини (води) (рис. 5.1) складається з відкритого напірного бака 1, до якого приєднана скляна трубка 2. вода в напірний бак подається по трубці 3, яка має вентиль 4. Для підтримання в напірному бакові постійного рівня рідини передбачена зливна трубка 5. Витрата рідини через скляну трубку 2 регулюється вентилем 6. Для визначення витрати рідини вимірюється час наповнення мірної ємності 7 до заданого рівня. У верхній частині бака знаходиться ємність 8 з водним розчином фарби, яка може по трубці 9 вводитися тонкою струминкою всередину потоку води у скляну трубку 2. Витрата підфарбованої рідини регулюється краном 10. Температура води вимірюється термометром 11.

 

 

Рис. 5.1

Порядок проведення досліду.

 

1.Відкрити вентиль 4 і наповнити бак водою. При цьому треба слідкувати за тим, щоб рівень води в ньому був постійним.

2. Встановити невелику швидкість руху води у трубці 2 вентилем 6.

3. Відкрити кран 10 і ввести тонкою струминкою через трубку 9 водний розчин фарби всередину потоку води у трубку 2.

4. Об’ємним способом визначити витрату води, користуючись мірною ємністю та секундоміром.

5. Термометром 11 виміряти температуру води.

6. Повільно відкриваючи вентиль 6 встановити трохи більшу витрату води і повторити всі вимірювання. Провести 3-4 досліди при ламінарному режимові.

Продовжуючи збільшувати витрату води, провести ще два досліди: при перехідному режимі (струминка підфарбованої води буде мати коливальний характер), а потім при турбулентному (струминка підфарбованої рідини повністю розмита і вода в трубці 2 рівномірно забарвлена).

 

 

Обробка результатів дослідів і оформлення звіту за роботу.

 

а). визначити витрату води

 

(5.4)

 

б). користуючись рівнянням об’ємної витрати знайти швидкість руху води

 

,

(5.5)

 

де S – площа перерізу трубки (, d – діаметр трубки).

в). визначити коефіцієнт кінематичної в’язкості в залежності від температури.

г). знайти число Рейнольдса за формулою (5.1) і порівняти його з критичним. Зробити висновок про режими руху рідини.

Результати вимірювань і розрахунків занести в протокол досліджень і оформити звіт по роботі.

 

Протокол досліджень

 

Таблиця 1

№ п/п	Найменування величини	Позначення	Розмірність	Номер досліду
	Мірний об'єм. Час наповнення Об’ємна витрата Площа перерізу Швидкість рідини Коеф.кінематичної вязкості Число Рейнольдса Режим руху	W t Q S v   υ Re	см3 с см3/с см2 см/с   см2/с - -

 

 

Контрольні питання

 

1. Які існують режими руху рідини?

2. Яким критерієм визначається режим руху рідини?

3. Надайте коротку характеристику режимам руху рідини.

4. Що таке критичне число Рейнольдса і як воно визначається?

5. Від яких факторів залежить кінематичний коефіцієнт в’язкості?

6. Що таке критична швидкість руху рідини в трубопроводі?

7. Де в практиці має місце ламінарний і турбулентний режими руху рідини?