РЕЖИМЫ ДВИЖЕНИЯ РЕАЛЬНОЙ ЖИДКОСТИ


В природе существует два режима движения жидкости.

Один из режимов – ламинарный (слоистый) режим движения, при котором частицы жидкости в потоке движутся упорядоченно в виде несмешивающихся струек или слоев. Второй режим – турбулентный, при котором частицы жидкости имеют сложные неупорядоченные траектории движения, вследствие чего происходит интенсивное перемешивание потока.

Естественно, что затрата энергии на перемещение определенного количества жидкости вдоль потока будет различна при различных режимах движения. Если при ламинарном режиме энергия затрачивается только на продольное перемещение частиц жидкости вдоль потока, то при турбулентном, дополнительная энергия, затрачивается на поперечные перемещения частиц жидкости, связанные с неупорядоченным характером движения.

Поэтому для инженерной практики важно знать, какой режим движения жидкости наблюдается в том или ином потоке.

О существовании в природе двух режимов движения жидкости было известно уже в XIX веке.

В 1869 году немецкий ученый Хаген отмечал, что закон сопротивления движению жидкости зависит от режима движения.

В 1880 году русский ученый Менделеев в своем сочинении «О сопротивлении жидкости и о воздухоплавании» указывал на существование в природе двух режимов движения жидкости с разным законом ее сопротивления.

Эта мысль была развита и доказана русским физиком Петровым, который, в 1883 году, установил, что при смазке силы трения, определяемые вязким сопротивлением, при ламинарном режиме, пропорциональны первой степени скорости.

Наиболее полные исследования жидкости в трубах были проведены английским физиком Рейнольдсом (1881-1883 г.), который предложил установку для экспериментального определения режима движения жидкости.

Вода, из основного сосуда, поступает в горизонтальную стеклянную трубу, имеющую на конце регулирующий кран. К центру начального сечения трубы, по тонкой трубке, снабженной краном, подводится жидкая краска, из вспомогательного сосуда.

Если с помощью регулирующего крана установить в трубе скорость меньше некоторого критического значения, то в трубе образуется тончайшая окрашенная струйка, которая не смешивается с потоком воды по всей длине трубы. Это свидетельствует о наличии ламинарного режима движения жидкости в трубе.

Постепенно увеличивая скорость движения воды в трубе, можно увидеть нарушение параллельно-струйного движения. Окрашенная струйка вначале принимает извилистую форму, затем в некоторых местах появляются разрывы струйки, а при достаточно больших скоростях, превышающих некоторую критическую величину скорости, жидкая краска, поступающая в трубу, равномерно окрасит весь поток жидкости. Это будет свидетельствовать о возникновении турбулентного режима движения жидкости.

Вместе с тем оказалось, что величины критических скоростей различны для жидкостей с различной вязкостью и изменяются при изменении размеров сечения потока. На основании исследований Рейнольдс установил, что границы ламинарного и турбулентного режима движения жидкости необходимо определять не постоянной величиной скорости потока, а постоянной величиной числа Рейнольдса.

Полученное, по величине средней критической скорости , критическое число Рейнольдса  является критерием, определяющим режим течения жидкости в трубах.

Как показывают опыты, для труб круглого сечения .

При течение является ламинарным, а при  – турбулентным. Точнее говоря, развитое турбулентное течение в трубах устанавливается при , а при  наблюдается переходная область от ламинарного режима течения жидкости к турбулентному режиму течения.

Таким образом, зная скорость движения жидкости, ее вязкость и диаметр трубы, можно вычислить значение числа  и, сравнив его с , определить режим течения жидкости.

На практике ламинарный режим течения жидкости наблюдается в основном при движении весьма вязких жидкостей, а турбулентное течение происходит в водопроводных трубах и при движении маловязких жидкостей.

В лабораторных условиях можно получить ламинарный режим течения жидкости при значении числа , значительно превышающем . Однако в этом случае ламинарное течение оказывается настолько неустойчивым, что достаточно незначительных возмущений (вибрация экспериментального стенда, наличие примесей в жидкости), чтобы оно перешло в турбулентное течение.

Подводя итог вышесказанному, можно отметить, что установка Рейнольдса позволяет визуально наблюдать режим движения жидкости, что имеет большое значение для получения правильных физических представлений о происходящих процессах. Однако, для инженерной практики, необходимо аналитическое решение задачи по определению режимов движения жидкости по некоторым известным параметрам потока, которое основано на применении теории подобия.