Описаниеэкспериментальнойустановки

Лабораторная работа№1

 

Изучениережимовтечения жидкости

 

ЦЕЛЬРАБОТЫ

 

1.  Определитьрежимытеченияжидкостиметодомвизуализациикартин течениянаустановкеРейнольдса.

2. ОпределитьрежимтеченияпозначениямкритерияРейнольдса.

 

Основныеположения.

При движении потока реальной жидкости в нем действуют различные силы: силы давления, вязкости (трения), тяжести и инерции. В первой половине ХIX века многие исследователи обратили внимание на то, что в различных условиях характер и структура потока жидкости могут быть разные. В 1883 г. английский физик Осборн Рейнольдс обосновал теоретически и показал на опытах существование двух принципиально различных режимов движения жидкости. Они получили название ламинар­ный (слоистый) и турбулентный (вихреобразный) режимы.

Ламинарнымназываетсяупорядоченноеслоистоедвижениежидкостибез поперечногоперемешиванияипульсацийскоростиидавления.Ламинарныйрежимможетустановиться придвиженииоченьвязкихжидкостей:глицерина, минеральныхмасел,нефти,мазута.

Турбулентным называется хаотичное, крайне нерегулярное движение жидкости. Оно сопровождается активным поперечным перемешиванием, пульсациями скорости и давления.

Рейнольдс установил, что критерием режима движения жидкости является безразмерная величина, представляющая собой отношение произведения средней скорости потока υна характерный линейный размер lпоперечного сечения потока к кинематической вязкости жидкостиν которая впоследствии была названа числом Рейнольдса. Для потока жидкости в трубе круглого сечения (характерный размер lравен внутреннему диаметру d) число Рейнольдса вычисляется по формуле

                (1)

Физический смысл числа Рейнольдса заключается в следующем:Это число есть величина пропорциональная отношению сил инерции к силам трения, вызываемым вязкостью. Из теории гидродинамического подобия известно, что силы инерции пропорциональны плотности жидкости ρ, скорости жидкости υво второй степени и характерному линейному размеру lво второй степени:

       (2)

В свою очередь, силы вязкости пропорциональны плотности, скорости потока, характерному линейному размеру и коэффициенту кинематической вязкости:

           (3)

Возьмем отношение выражений (2) и (3).

Таким образом, число Рейнольдса есть величина, пропорциональная отношению силы инерции к силам вязкости.

В зависимости от того, какие силы (вязкости или инерции) будут преобладать, и установится режим движения жидкости – ламинарный или турбулентный.Если силы вязкости будут велики, то они удержат поток жидкости, не дадут ему размыться и сохранят ламинарный режим. Если же велики будут силы инерции, то вязкость не сможет им противостоять и режим движения будет хаотичным.

Опытная установка Рейнольдса представлена на рис. 3.

Рис. 1. Зависимость Reот скорости потока жидкости

 

Данная установка позволяет наблюдать эти режимы при движении подкрашенной жидкости, подаваемой в поток прозрачной жидкости, протекающей по стеклянному трубопроводу 7.

При небольшой скорости движения жидкости краска, попав в поток жидкости в виде тонкой струйки, продолжает на всем протяжении потока двигаться струйкой (рис. 1 а). Это значит, что частицы испытуемой жидкости также движутся струйчато (слоисто). Это ламинарный режим.

При увеличении скорости движения жидкости окрашенная струйка приобретает волнистое очертание (переходная зона), а затем внезапно разрушается на отдельные частицы, которые далее двигаются по случайным неопределенно искривленным траекториям, окрашивая весь поток жидкости (рис. 1е). Это турбулентный режим. При таком режиме часть энергии затрачивается на поперечное перемещение и перемешивание частиц жидко­сти, вследствие чего турбулентный режим требует больших удельных затрат на перемещение жидкости, чем ламинарный.

Следуетотметить,чтопереходиз ламинарногорежимавтурбулентный и наоборот происходит при различных критических числах Рейнольдса, которыеносятназваниеверхнихинижних,иравнысоответственно:

- длянапорногодвижения

Reкр.В= 4000;  Reкр.Н= 2300;

 

- длябезнапорногодвижения

Reкр.В= 1000;  Reкр.Н= 580;

 

Соответствующие этимчисламскоростиназываютсяверхнимии нижнимикритическимискоростямииобозначаютсяυ_кр.^Виυ_кр.^Н

На участке между этими двумя критическими числами Рейнольдса возможно существование как ламинарного, так и турбулентного режима движения жидкости. Это зависит от условий входа жидкости в трубу, шероховатости стенок и других случайных факторов. В практических расчетах число Рейнольдса используется при определении сопротивления трубопроводов. Обычно для жестких трубопроводов критическое число Рейнольдса принимают Re_Kp =2320.

При Re_i<Re_Kpламинарное движение является вполне устойчивым: всякого рода искусственнаятурбулизация потока и его возмущения (сотрясение трубы, введение в поток колеблющегося тела и др.) погашаются влиянием вязкости, и ламинарный режим течения жидкости снова восстанавливается.

При Re_i>Re_Kp, наоборот, турбулентный режим устойчив, а ламинарный не устойчив.

Если живое сечение потока отличается от круглого или в трубопроводе имеется большое число близко расположенных местных сопротивлений, критическое число Рейнольдса может отличаться от приведенного выше значения. Так, например, для гибких шлангов в системе гидропривода Re_Kp= 1600.

Понятие верхнего и нижнего критических чисел Рейнольдса используется только при проведении экспериментальных работ. Для практических расчетов принято сравнивать числа Рейнольдса с нижними критическими величинами.

Для практических расчётов круглых напорных труб можно полагать, что при значениях Re< 2300 – режим ламинарный, а при Re> 2300 – режим турбулентный.

От режима движения жидкости зависят не только потери на преодоление сопротивления трубопровода, но и энергетические параметры потока. На рис. 2 показаны эпюры скоростей в живом сечении потока жидкости в круглой трубе.

Необходимоотметить,чтотурбулентностьвпотокахможетвозникнуть еще до того момента, как числоРейнольдсадостигнет критического значения.И наоборот,поток в определенныхусловияхможет оставаться ламинарнымпричислахРейнольдса, внесколькоразпревышающих критические числа. Это зависитот многих факторов, например, от шероховатостивнутреннейповерхноститрубы,условийпроведенияопыта, свойствжидкостиит.д.

Эпюра скоростей в случае ламинарного режима в трубопроводе круглого сечения представляет собой параболоид вращения, ось которого совпадает с геометрической осью трубы. Сопротивление трубопровода в этом случае прямо пропорционально вязкости жидкости и обратно пропорционально числу Рейнольдса. Расчетами можно доказать, что υ_cp = 0,5υ_max

Рис.2. Эпюры скоростей при ламинарном (а) и турбулентном (б) режимах движения жидкости.

 

Эпюра скоростей турбулентного режима имеет ярко выраженное турбулизированное ядро потока с примерно одинаковыми средними скоростями. Лишь частицы жидкости, близко расположенные к стенке, испытывают от нее тормозящее действие сил трения и образуют так называемый ламинарный подслой. В этом случае сопротивление трубопровода в наибольшей степени определяется шероховатостью стенок трубы и имеет квадратичную зависимость от скорости жидкости и числа Рейнольдса. Средняя скорость потока υ_cpнесколько меньше υ_max, а при абсолютнотурбулентном режиме (что возможно только теоретически дляидеальной жидкости) υ_cp = 0.85υ_max.

Кинетическая энергия потока, подсчитанная по средней скорости течения, отнесенная к единице массы жидкости, равна /2

 

 

Описаниеэкспериментальнойустановки

 

 

Дляизучениярежимовдвиженияжидкостипользуются опытной установкой,схемакоторойпредставленанарисунке3.

Установкасостоитизпитающего трубопровода 1, напорногобака2 с успокоительной решеткой 3, переливной трубы 4,емкостискраской 5, термометра 6, стеклянной трубки 7, в которой проводится наблюдение за режимами движения, буферного (подпорного) бака 8 с расходной трубкой 9, узла изменения расхода 10, состоящего из калиброванной по объему емкости с водомерным стеклом.

Рис 3. Схема стенда Рейнольдса: 1- питающего трубопровода, 2-напорный бак, 3 - успокоительная решетка, 4 - переливная труба,5 - емкостьскраской, 6-термометр, 7 -стеклянная трубка, 8 - буферный бак, 9 -расходныйпатрубок, 10 -узел изменения расхода.

 

Порядоквыполнения работы.

1. Ознакомиться с конструкцией установки.

2. Перекрыть все вентили на установке.

3. Открыть вентиль питательного трубопровода и наполнить расходный бак.

4. Открыть расходный вентиль и установить минимальный расход воды.

5. Открыть вентиль на линии красителя и подать краситель в поток.

6. Наблюдать за поведением красителя в потоке (при минимальном расходе воды должно быть четко выражена струйка красителя). Измерить расход воды.

7. Повторить эксперимент при увеличении расхода воды, регулируя расход таким образом, чтобы струйка красителя в трубке приобрела размытый, волнистый характер. Измерить расход воды.

8. Повторить эксперимент, установив максимальный расход воды. При этом струйка красителя должна исчезнуть, равномерно окрасив все поле течения. Измерить расход воды.

9. Закрыть все вентиля и выключить установку.

 

---

Дата добавления: 2018-04-05; просмотров: 272; Мы поможем в написании вашей работы!

Поделиться с друзьями:

---

---

Мы поможем в написании ваших работ!