ВОПРОС 4. РЕЖИМЫ ДВИЖЕНИЯ ЖИДКОСТИ.

Режимы движения жидкости впервые были изучены английским физиком Рейнольдсом в 1883 г. на экспериментальной установке, изображенной на рис. 4.10. Истечение жидкости из бака 1 происходит при постоянном напоре. Расход жидкости регулирует­ся краном 6 и измеряется с помощью мерного сосуда 7. По оси трубы 5 расположена капиллярная трубка 4, через которую пода­ется окрашенная жидкость (индикатор).

Во время опыта (а опыт начинается при небольших расходах жидкости) в трубу 5 одновременно с основным потоком подается через трубку 4 красящее вещество. При небольшой скорости жид­кости в трубе 5 окрашенная струйка не размывается, а вытягивает­ся вдоль оси потока.

Если пустить окрашенную жидкость в основной поток через несколько капиллярных трубок, расположенных на некоторых расстояниях от оси потока, то можно будет наблюдать несколько окрашенных струек, не пересекающихся между собой. Этот факт свидетельствует о том, что струйки жидкости движутся в трубе по параллельным траекториям, т. е. наблюдается струйчатое движе­ние жидкости, которое в технике называют ламинарным.

Скорости в потоке распределяются по параболе, причем мак­симальная скорость наблюдается на оси потока, а минимальная — в слоях, прилегающих к стенке трубы. Слой жидкости, прилегаю­щий непосредственно к стенке трубы, называют пограничным слоем.

При дальнейшем увеличении расхода жидкости в трубе 5 окра­шенная струйка начинает двигаться волнообразно, а затем размы­вается. Это объясняется тем, что в потоке жидкости отдельные ча­стицы движутся уже не только вдоль трубы, но и перемещаются в поперечном направлении. В итоге вся масса жидкости окрашива­ется в цвет индикатора. Такое неупорядоченное движение жидко­сти называется турбулентным. Распределение скоростей по диаметру выражается некоторой кривой, сходной с параболой, но с более широкой вершиной.

Рейнольдс установил, что переход от ламинарного движения к турбулентному зависит прямо пропорционально от массовой ско­рости жидкости ρv, диаметра трубы и обратно пропорциональ­но — от вязкости жидкости μ.

Предложенный им безразмерный комплекс называется крите­рием Рейнольдса.

Re = vdρ/μ, или Re = vd/v,

где v = μ/ρ — кинематическая вязкость, м²/с.

Его численное значение определяет режим движения жидко­сти. Как было показано выше, критерий Re является мерой соот­ношения между силами инерции и вязкости в потоке жидкости.

При равных скоростях жидкости в трубах одинакового диамет­ра турбулентность возникает раньше при больших плотностях и меньших вязкостях жидкости. Переход от ламинарного режима к турбулентному происходит при критических значениях критерия Рейнольдса.

При движении жидкости по гладким трубам Re_кр = 2320. Таким образом, при Re < 2320 наблюдается устойчивый ламинарный ре­жим; при 2320 < Re < 10 000 — переходный режим.

Переходный режим характеризуется неустойчивостью движе­ния: оба вида движения могут проявляться одновременно или лег­ко переходить один в другой.

При Re > 10 000 наступает устойчивый турбулентный режим. Распределение скоростей по сечению трубопровода при ламинар­ном и турбулентном режимах показано на рис. 4.8.

Движение неньютоновских (бингамовских) жидкостей характе­ризуется модифицированным критерием Рейнольдса