Как сделать из турбулентного потока ламинарный
Добавил пользователь Евгений Кузнецов Обновлено: 04.10.2024
Для характеристики ламинарного и турбулентного движения горючих газов или жидкостей рассмотрим движение отдельных струй газов или жидкостей в прямолинейном канале, описанном авторами [3]. Приведем некоторые определения и результаты их исследований.
Движение отдельных струй газов (газовых потоков) или жидкостей называется ламинарным (или струйчатым), если отдельные струи движутся параллельно друг другу, без видимого обмена газами или жидкостями, содержащимися в них. Это наблюдается при очень малых скоростях потока.
Как отмечают авторы [3], в ламинарном потоке скорость в каждой точке со временем не меняется. В ламинарном потоке скорость по сечению распределена по параболическому закону, у стенки канала она равна нулю. Средняя скорость по сечению канала составляет половину максимальной скорости.
Важно отметить, что при увеличении скорости ламинарного потока может нарушиться параллельное движение струек газа или жидкости. Это приведет к тому, что изменится траектория их движения, пути станут неправильными, извилистыми. Отдельные струйки начнут распадаться, разделяться на отдельные элементарные объемы жидкости (или газа) — моли. Моли, независимо один от другого, участвуют в беспорядочном движении частиц, в результате происходит интенсивное перемешивание горючего — турбулентное движение.
В случае движения, например, одного слоя жидкости вдоль другого при наличии поперечного изменения (градиента) скорости появляются возмущения, которые приводят при достаточно больших числах коэффициента Рейнольдса Re к возникновению значительной турбулентности. При этом следует отметить, что граница раздела между этими слоями жидкости неустойчива, что может привести к вихревому движению. Такое вихревое движение может вызвать расширение области распространения турбулентности.
При турбулентном движении потоков благодаря интенсивному перемешиванию жидкости (газа) скорость по течению этих потоков распределяется более равномерно. Так, например, средняя скорость по сечению канала составляет 80-85% максимальной скорости. Авторами [3] отмечено, что около стенки в очень тонком пограничном слое, толщина которого уменьшается с увеличением скорости течения потоков, наблюдается наибольшее изменение скорости турбулентного потока.
Турбулентное движение характеризуется беспорядочным движением отдельных молей жидкости (газа), которые могут иметь самые разные размеры: от самых больших размеров, соизмеримых с поперечными размерами движущегося потока, до самых малых. Кроме того, моли горячего вещества существуют как индивидуальные образования очень ограниченное время. В результате непрерывного беспорядочного передвижения молей горючего вещества в каждой точке турбулентного потока наблюдается изменение скорости как во времени, так и по величине и по направлению. Эти изменения нерегулярны и колеблются около некоторого среднего значения. При этих процессах изменяется и давление.
Турбулентное движение характеризуется различными скоростями.
Пульсационная скорость — это скорость, когда наблюдается отклонение значения истинной скорости (U) от среднего значения скорости (U) по времени:
Для пульсационной скорости характерно непрерывное изменение как по величине, так и по направлению. Пульсационная скорость одинаково часто меняется по направлению как вдоль, так и поперек потока. Она может быть положительной и отрицательной по своему значению. По абсолютной величине U' преимущественно меньше средней скорости, она доходит до значения ±30% U и более. Среднее значение пульсационной скорости за достаточно большой промежуток времени по определению равно нулю.
Чаще всего движение горючего вещества в турбулентном потоке является неустановившимся, беспорядочным. Однако турбулентное движение может быть и установившимся пульсационным или средним установившимся движением. Это наблюдается тогда, когда средние величины скоростей остаются постоянными во времени.
В случае если установился режим пульсационного движения потока, пульсационная скорость U в каждой точке этого потока за достаточно продолжительный период времени принимает определенные как значения, так и направления. Пульсационная скорость характеризует собой статический результат произвольных изменений скоростей, которые обусловливает постоянный осредненный поток движущихся струй. В технических расчетах пользуются осредненными, среднестатистическими значениями скоростей, истинное пульсирующее поле скоростей заменяется осредненным, прямолинейным движением и рассматривается распределение осредненных скоростей.
Осредненную скорость движения турбулентного потока можно выразить в зависимости от ординаты у (рис. 1.3), если рассмотреть плоский равномерный поток, направленный вдоль движения по оси х. В таком потоке отдельные слои двигаются параллельно друг другу с осредненной скоростью.
Рис. 1.3. Перенос импульсов при турбулентных пульсациях скорости Источник: [3, с. 87].
Частица (моль) газа, имеющая в данном месте пульсационную скорость U, проскакивая поперек потока отрезок, равный длине пути смещения, попадает в слой, где значение средней скорости отличается от U на величину [3, с. 87]
где 1Т — длина пути смещения;---местный градиент скорости.
Слияние частицы газа с массой нового слоя сопровождается скачкообразным изменением. При этом процессе пульсация скорости изменяется на следующую величину:
Исходя из этого продольная пульсационная скорость может быть представлена как относительная скорость, которую имеют частицы, попадающие из области одной скорости (осевой) в область другой (поперечной).
Для установления связи между осевым и поперечным компонентами пульсационной скорости можно применить принцип неразрывности к элементарному объему. Неразрывность движущейся массы потока позволяет сделать предположение о том, что пульсирующие течения в осевом и поперечном направлениях должны компенсировать друг друга и, следовательно, осевые и поперечные компоненты пульса- ционной скорости должны быть (в среднем) одного порядка.
Следовательно, механизм турбулентного движения можно представить как аналогичный механизму молекулярного движения. Различие заключается в следующем: при молекулярном движении перемешивание слоев потока происходит в результате беспорядочного теплового движения молекул, а при турбулентном движении перемешивание этих слоев совершается в результате беспорядоченного движения молей газа.
Характеризует турбулентное движение величина, называемая длиной пути смещения, имеющая для турбулентного движения такой же смысл, как понятие о средней длине пробега молекул в кинетической теории газов.
Длина пути смещения — это расстояние, на которое перемещаются моли газа некоторого слоя до внедрения их в другой слой, путь, на протяжении которого частица сохраняет свою индивидуальность, т.е. движущийся моль газа проходит это расстояние не распадаясь. Длину пути смещения можно расценивать как некоторую среднюю поперечную длину, пройдя которую, отдельные перемещающиеся в потоке моли горючего вещества теряют свою скорость и приобретают скорость окружающей среды.
Длина пути смещения (по порядку) совпадает с поперечным размером моля, движущегося в течение данного отрезка времени как единое целое. Поэтому этот путь можно представлять так же и как средний диаметр жидкого комка или газового вихря, а следовательно, как некоторый характерный масштаб турбулентности в данной точке потока.
Масштаб турбулентности — это среднее значение длины пути смещения в единицу времени, характерное для процесса турбулентного перемешивания.
Сила тяжести и скорость подвижных частиц усиливают турбулентность потока. Это характерно для непрерывной среды бесконечно большого числа подвижных частиц. Вязкость среды, напротив, уменьшает подвижность частиц и тем самым действует как стабилизирующий фактор, являющийся важным средством обеспечения пожарной безопасности. Исходя их этого отношение сил инерции, к которым относятся сила тяжести и сила, соответствующая кинетической энергии, к силам вязкости характеризует степень турбулентности потока.
Степень турбулентности потока называется критерием Рейнольдса [3, с. 88]:
где р — плотность среды, кг/м; W — средняя скорость потока, м/с; р — коэффициент динамической вязкости, Н м/с; v — коэффициент кинематической вязкости, м 2 /с; / — линейный параметр, характеризующий форму поперечного сечения потока, м.
На практике стенки резервуаров ограничивают свободу движения частиц в потоке и тем самым стабилизируют поток. В выражении критерия Рейнольдса (1.30) учтен этот факт и поэтому входит также линейный параметр, характеризующий форму поперечного сечения потока.
Значение критерия Рейнольдса имеет большое практическое значение. Так, повышенное значение критерия Рейнольдса указывает на большую степень турбулентности. Экспериментально было установлено, что при значениях Re ReKp — турбулентный [3]. При значениях Re значительно выше критического молекулярная вязкость перестает играть заметную роль, что приводит к развитию турбулентности.
Развитая турбулентность — это механизм турбулентного движения, когда эффектом молекулярной диффузии и теплопроводности можно пренебречь по сравнению с турбулентным массо- и теплообменом.
Степень турбулентности определяется колебаниями скорости в каждой точке турбулентного потока, которые происходят вокруг некоторого среднего ее значения. Средняя скорость является одной из основных характеристик пульсирующей скорости.
Для оценки величины амплитуды отклонений истинной скорости от средней введено понятие среднего квадратичного отклонения пульсационной скорости [3]. Необходимость введения этого понятия связана с тем, что среднее значение пульсационной скорости равняется нулю.
Среднее квадратичное отклонение пульсационной скорости определяется выражением
Величина отдает меру рассеяния случайной величины и является основной характеристикой амплитуды пульсации скорости в фиксированной точке. Среднее значение квадрата пульсационной скорости за некоторый промежуток времени определяется следующим образом:
где t — период осреднения.
Средние квадратичные отклонения двух других проекций скорости соответственно определяются как
Следовательно, для характеристики пульсирующей скорости необходимо знать средние значения трех проекций скорости и средние квадратичные значения проекций пульсационной скорости.
Другой важной характеристикой турбулентного движения является отношение средней квадратичной пульсационной скорости, принимаемой за меру пульсационной скорости, к средней скорости, называемое интенсивностью или степенью турбулентности или числом Кармана:
Число Кармана (критерий е) выражает отношение дополнительных турбулентных напряжений к силам инерции и является первой характеристикой турбулентности.
Масштабы турбулентности. Пульсации скоростей в различных точках связаны между собой статистическими связями. Основной количественной мерой связи между статистическими явлениями в теории вероятностей является коэффициент корреляции (связи) — отношение среднего значения произведения пульсационных скоростей к произведению их средних квадратичных значений.
В работе [3] описаны факторы, влияющие на корреляцию, и дано выражение для коэффициента корреляции между скоростями пульсации Щ и^ в двух точках осредненного плоского потока с основным направлением течения по х, находящихся одна от другой по оси у на расстоянии Л = у2 - у в один и тот же момент времени. В этом случае выражение имеет вид
Корреляция пульсационных скоростей в точках, близких друг к другу, большая. При совпадении сравниваемых точек коэффициент корреляции между одноименными проекциями скорости равен единице, т.е. при расстоянии Г| = 0 коэффициент корреляции = 1.
Важным фактором является расстояние между пульсационными потоками. С увеличением расстояния взаимозависимость пульсаций в этих точках ослабляется, так как эффективное влияние турбулентных возмущений распространяется на весьма малую область. В случае если расстояние между рассматриваемыми точками велико по сравнению с турбулентными перемещениями, связь между пульсационными скоростями теряет функциональный характер, они становятся почти независимыми, и поэтому осредненное значение их произведения становится равным нулю, т.е. при расстоянии Г| —> «>,
Уменьшение корреляции с расстоянием означает, что закономерная связь между гидродинамическими величинами имеется в бесконечно малых объемах потока, для которых коэффициент корреляции между скоростями в двух точках равен единице. При конечных расстояниях связь между этими величинами теряет функциональный характер. С увеличением числа Re коэффициент корреляции возрастает.
Значение коэффициента корреляции в пространстве имеет практическую значимость, так как позволяет оценить границы областей возмущений, средние размеры этих областей, т.е. найти средний масштаб турбулентности.
Важной характеристикой является и линейная величина. Линейная величина — это среднее расстояние, на которое распространяется корреляционная связь скорости в данной точке со скоростями в других точках. Линейная величина является некоторым средним размером масс вещества, формирующих поток. Она характеризует средний эффективный размер перемешивающихся молей. Эта величина называется эйлеровым поперечным масштабом турбулентности [3, с. 90]:
Масштаб турбулентности дает представление о пространственной структуре турбулентных возмущений, характеризует размеры больших вихрей в турбулентном потоке и является второй статистической характеристикой турбулентного потока.
Вычислить продольный эйлеров масштаб турбулентности можно составив коэффициент корреляции для точек, лежащих на оси х на расстоянии ? = х2 - х одна от другой, и соответственно
Коэффициент корреляции между двумя составляющими пульса- ционной скорости в одной и той же точке определяется уравнением
Этот коэффициент характеризует величину дополнительных турбулентных напряжений.
Корреляция одного и того же компонента в данной точке в разные моменты времени позволяет определить эйлеров макромасштаб времени для данной оси [3]:
Эйлеров макромасштаб времени представляет собой время, в течение которого крупные моли со средней скоростью U проносятся через фиксированную точку пространства.
Как показано в работе [3], при однородной турбулентности осциллограмма мгновенной скорости, снимаемая в данной точке потока по времени, практически идентична мгновенному распределению скорости по направлению потока (осьх), поэтому коэффициенты корреляции RiE и Rx тождественно равны друг другу при наличии связи х = Ut.
Если некоторая частица жидкости в момент /0 прошла через заданную точку потока, имея скорость U'(t0), то в момент (/0 + /) ее скорость составляет U'(t0 +t) и лагранжев коэффициент корреляции по оси / равен
Соответственно лагранжев макромасштаб времени
Лагранжев макромасштаб длины является макромасштабом вихревой диффузии:
Итак, лагранжев масштаб длины Ljt характеризует расстояние, на которое перемещаются моли, сохраняя свою индивидуальность, а лагранжев макромасштаб времени — время, в течение которого моль проходит это расстояние.
Частота пульсаций. За средний период пульсации принимается отношение t/N, где N — число максимумов или минимумов мгновенной скорости за период осреднения /.
Величина, обратная периоду пульсации, показывающая число пульсаций скорости в данной точке за секунду, называется частотой пульсаций:
Частота пульсаций скорости является третьей основной характеристикой турбулентности. Так как в турбулентных потоках наблюдаются широкие спектры частот, то за меру частоты пульсаций принимают либо частоту, более всех повторяющуюся, либо некоторую среднюю частоту В зависимости от частоты различают турбулентность:
Гидродинамика является важнейшим разделом физики, который изучает законы движения жидкости в зависимости от внешних условий. Важным вопросом, который рассматривается в гидродинамике, является вопрос определения ламинарного и турбулентного течения жидкости.
Что такое жидкость?
Чтобы лучше понять вопрос ламинарного и турбулентного течения жидкости, необходимо для начала рассмотреть, что собой представляет эта субстанция.
Жидкостью в физике называют одно из 3-х агрегатных состояний материи, которое при заданных условиях способно сохранять свой объем, но которая при воздействии минимальных тангенциальных сил изменяет свою форму и начинает течь. В отличие от твердого тела, в жидкости не возникают силы сопротивления внешнему воздействию, которые бы стремились вернуть ее исходную форму. От газов же жидкость отличается тем, что она способна сохранять свой объем при постоянном внешнем давлении и температуре.
Параметры, описывающие свойства жидкостей
Вопрос ламинарного и турбулентного течение определяется, с одной стороны, свойствами системы, в которой рассматривается движение жидкости, с другой же стороны, характеристиками текучей субстанции. Приведем основные свойства жидкостей:
- Плотность. Любая жидкость является однородной, поэтому для ее характеристики используют эту физическую величину, отражающую количество массы текучей субстанции, которая приходится на ее единицу объема.
- Вязкость. Эта величина характеризует трение, которое возникает между различными слоями жидкости в процессе ее течения. Так как в жидкостях потенциальная энергия молекул приблизительно равна их кинетической энергии, то она обуславливает наличие некоторой вязкости в любых реальных текучих субстанциях. Это свойство жидкостей является причиной потери энергии в процессе их течения.
- Сжимаемость. При увеличении внешнего давления всякая текучая субстанция уменьшает свой объем, однако, для жидкостей это давление должно быть достаточно велико, чтобы незначительно уменьшить занимаемый ими объем, поэтому для большинства практических случаев, это агрегатное состояние полагают несжимаемым.
- Поверхностное натяжение. Эта величина определяется работой, которую необходимо затратить, чтобы образовать единицу поверхности жидкости. Существование поверхностного натяжения обусловлено наличием сил межмолекулярного взаимодействия в жидкостях, и определяет их капиллярные свойства.
Ламинарное течение
Изучая вопрос турбулентного и ламинарного течения, рассмотрим сначала последнее. Если для жидкости, которая находится в трубе, создать разность давлений на концах этой трубы, то она начнет течь. Если течение субстанции является спокойным, и каждые ее слой перемещается вдоль плавной траектории, которая не пересекает линии движения других слоев, тогда говорят о ламинарном режиме течения. Во время него каждая молекула жидкости перемещается вдоль трубы по определенной траектории.
Особенностями ламинарного течения являются следующие:
- Перемешивания между отдельными слоями текучей субстанции не существует.
- Слои, находящиеся ближе к оси трубы, движутся с большей скоростью, чем те, которые расположены на ее периферии. Этот факт связан с наличием сил трения между молекулами жидкости и внутренней поверхностью трубы.
Примером ламинарного течения являются параллельные струи воды, которые вытекают из душа. Если в ламинарный поток добавить несколько капель красителя, то можно видеть, как они вытягиваются в струю, которая продолжает свое плавное течение, не перемешиваясь в объеме жидкости.
Турбулентное течение
Этот режим кардинальным образом отличается от ламинарного. Турбулентное течение представляет собой хаотический поток, в котором каждая молекула движется по произвольной траектории, которую можно предсказать лишь в начальный момент времени. Для этого режима характерны завихрения и кругообразные движения небольших объемов в потоке жидкости. Тем не менее, несмотря на хаотичность траекторий отдельных молекул, общий поток движется в определенном направлении, и эту скорость можно характеризовать некоторой средней величиной.
Примером турбулентного течения является поток воды в горной реке. Если капнуть краситель в такой поток, то можно видеть, что в первоначальный момент времени появится струя, которая начнет испытывать искажения и небольшие завихрения, а затем исчезнет, перемешавшись во всем объеме жидкости.
От чего зависит режим течения жидкости?
Ламинарный или турбулентный режимы течения зависят от соотношения двух величин: вязкости текучей субстанции, определяющей трение между слоями жидкости, и инерционных сил, которые описывают скорость потока. Чем более вязкая субстанция, и чем меньше скорость ее течения, тем выше вероятность появления ламинарного потока. Наоборот, если вязкость жидкости мала, а скорость ее передвижения велика, то поток будет турбулентным.
Ниже приводится видео, которое наглядно поясняет особенности рассматриваемых режимов течения субстанции.
Как определить режим течения?
Для практики этот вопрос очень важен, поскольку ответ на него связан с особенностями движения объектов в текучей среде и величиной энергетических потерь.
Переход между ламинарным и турбулентным режимами течения жидкости можно оценить, если использовать так называемые числа Рейнольдса. Они являются безразмерной величиной и названы в честь фамилии ирландского инженера и физика Осборна Рейнольдса, который в конце XIX века предложил их использовать для практического определения режима движения текучей субстанции.
Рассчитать число Рейнольдса (ламинарное и турбулентное течение жидкости в трубе), можно по следующей формуле: Re = ρ*D*v/μ, где ρ и μ - плотность и вязкость субстанции, соответственно, v - средняя скорость ее течения, D - диаметр трубы. В формуле числитель отражает инерционные силы или поток, а знаменатель определяет силы трения или вязкость. Отсюда можно сделать вывод, что, если число Рейнольдса для рассматриваемой системы имеет большую величину, значит, жидкость течет в турбулентном режиме, и наоборот, маленькие числа Рейнольдса говорят о существовании ламинарного потока.
Конкретные значения чисел Рейнольдса и их использование
Как было сказано выше, можно использовать для определения ламинарного и турбулентного течения число Рейнольдса. Проблема состоит в том, что оно зависит от особенностей системы, например, если труба будет иметь неровности на своей внутренней поверхности, то турбулентное течение воды в ней начнется при меньших скоростях потока, чем в гладкой.
Статистические данные многих экспериментов показали, что независимо от системы и природы текучей субстанции, если число Рейнольдса меньше 2000, то имеет место ламинарное движение, если же оно больше 4000, то поток становится турбулентным. Промежуточные значения чисел (от 2000 до 4000) говорят о наличии переходного режима.
Указанные числа Рейнольдса используются для определения движения различных технических объектов и аппаратов в текучих средах, для исследования течения воды по трубам разной формы, а также играют важную роль при изучении некоторых биологических процессов, например, движение микроорганизмов в кровяных сосудах человека.
Наблюдается два вида течения жидкости (или газа). В одних случаях жидкость как бы разделяется на слои, которые скользят друг относительно друга, не перемешиваясь. Такое течение называется ламинарным (слоистым). Если в ламинарный поток ввести подкрашенную струйку, то она сохраняется, не размываясь, на всей длине потока, так как частицы жидкости в ламинарном потоке не переходят из одного слоя в другой. Ламинарное течение стационарно.
При увеличении скорости или поперечных размеров потока характер течения существенным образом изменяется. Возникает энергичное перемешивание жидкости. Такое течение называется турбулентным. При турбулентном течении скорость частиц в каждом данном месте все время изменяется беспорядочным образом — течение нестационарно. Если в турбулентный поток ввести окрашенную струйку, то уже на небольшом расстоянии от места ее введения окрашенная жидкость равномерно распределяется по всему сечению потока.
Английский ученый Рейнольдс установил, что характер течения зависит от значения безразмерной величины:
где — плотность жидкости (или газа), v — средняя (по сечению трубы) скорость потока, — коэффициент вязкости жидкости, l — характерный для поперечного сечения размер, например, сторона квадрата при квадратном сечении, радиус или диаметр при круглом сечении и т. д.
Величина (76.1) называется числом Рейнольдса. При малых значениях числа Рейнольдса наблюдается ламинарное течение. Начиная с некоторого определенного значения называемого критическим, течение приобретает турбулентный характер. Если в качестве характерного размера для круглой трубы взять ее радиус , то критическое значение числа Рейнольдса (которое в этом случае имеет вид ) оказывается равным примерно 1000. В число Рейнольдса входят в виде отношения две величины, зависящие от свойств жидкости: плотность и коэффициент вязкости
называется кинематической вязкостью. В отличие от v величина называется динамической вязкостью. Используя кинематическую вязкость, числу Рейнольдса можно придать следующий вид;
Число Рейнольдса может служить критерием подобия для течения жидкостей в трубах, каналах и т. д. Характер течения различных жидкостей (или газов) в трубах разных сечений будет совершенно одинаков, если каждому течению соответствует одно и то же значение Re.
Характер (вид) движения жидкости изучался в 1840—1880 гг. в Германии Г. Хагеном и в России Д. Менделеевым. Состояние движения потока может иметь струйчатый или беспорядочный характер. Когда струйчатость нарушается, частички жидкости движутся по весьма сложным траекториям. При струйчатом течении траектория движения частички жидкости ориентирована параллельно стенкам потока конечных размеров.
Весьма обширные и обстоятельные исследования по течению жидкости в трубе были проведены в 1883 г, английским ученым О. Рейнольдсом. Лабораторная установка (рис. 4.1), на которой проводились эксперименты, состояла из бака 1, стеклянной горизонтальной трубы 2 диаметром d, частично находящейся в баке. В начале трубы имелся мундштук 3 (патрубок) с плавным переходом с большого входного отверстия на отверстие трубы. На конце трубы за пределами бака находился кран 4, с помощью которого можно было регулировать расход воды и среднюю скорость в стеклянной трубе V=4Q/πd 2
Над баком был установлен небольшой резервуар 5, заполняемый раствором анилиновой краски. К резервуару была присоединена тонкая трубочка 6, конец которой входил в мундштук по оси трубы. Для регулирования пуска раствора краски через трубочку в стеклянную трубу имелся краник 7. Раствор анилиновой краски имел практически одинаковую плотность с водой, находящейся в баке.
Опыты заключались в том, что, открывая кран на трубе, устанавливались определенные расход и скорость V. Одновременно пускался из резервуара 5 раствор краски, который выходил из трубочки 6 в трубу 2.
При достаточно малой скорости в трубе струйка раствора образовывала внутри потока воды устойчивую несмешивающуюся окрашенную тонкую струйку. Данный опыт демонстрировал существование струйчатого характера движения жидкости. Несколько увеличивая среднюю скорость, наблюдалось такое же движение окрашенной струйки.
Движение жидкости, которому соответствует устойчивый струйчатый характер, является ламинарным движением. Название движения произошло от латинского слова lamina — слой. Ламинарный режим соответствует относительно малым скоростям и слоистому движению жидкости. Частички жидкости не перемешиваются друг с другом, и линии тока параллельны оси движения потока.
Ламинарным называется движение жидкости, при котором ее частицы совершают упорядоченное движение и траектории частиц мало отличаются друг от друга, так что жидкость рассматривается как совокупность отдельных слоев, движущихся с разными скоростями, не перемешиваясь друг с другом.
Ламинарное движение может быть как установившимся, так и неустановившимся.
Открывая кран больше, увеличивая тем самым скорость, струйка приобретает некоторый волнистый характер, и местами струйка может иметь разрывы. Следовательно, в этот промежуток времени будет происходить нарушение струйчатого движения воды, чему соответствует некоторая средняя скорость Vкр1 Скорость Vкр1 получила название нижней критической скорости. При скорости V>=Vкр1 будет иметь место нарушение струйчатого течения, и поток в трубе будет находиться в неустойчивом состоянии. Такой режим движения является неустойчивым.
При дальнейшем увеличении скорости потока в трубе струйка раствора исчезает. Частички этой струйки начинают перемешиваться с потоком воды. Частички раствора движутся в разном произвольном направлении, и при этом не наблюдается определенной закономерности их движения. Они имеют различные перемещения по пути движения. В результате перемешивания частиц вся масса воды, движущейся в трубе, становится несколько окрашенной. Такое движение можно считать беспорядочным. Переход движения потока в такое состояние происходит, когда скорость достигнет некоторой величины Vкр2. Эта скорость называется верхней критической скоростью.
Движение, при котором наблюдается беспорядочный характер движения частичек жидкости по весьма сложным траекториям, является турбулентным движением, от латинского слова turbulentus — вихревой, беспорядочный.
Турбулентным называется движение жидкости, при котором ее частицы совершают неустановившиеся и неупорядоченные движения по достаточно сложным траекториям, в результате этого происходит интенсивное перемешивание различных слоев жидкости (рис. 4.2).
Турбулентное движение является неустановившимся движением.
Турбулентный режим наблюдается при больших скоростях, когда средняя скорость V>Vкр2, при этом происходит интенсивное перемешивание частиц в потоке жидкости.
Таким образом, ламинарное движение в трубе имеет место, когда V Vкр2.
В пределах Vкр2 > V > Vкр1 движение является неустойчивым ламинарным движением.
Малейшее возмущение потока приводит к переходу неустойчивого ламинарного режима в турбулентный. Возмущение может произойти в результате некоторого сотрясения трубы в виде толчка, наличия в потоке тела, находящегося в состоянии колебания, и т.д.
Число Рейнольдса обязательно нужно знать и уметь считать - это входит в основу гидравлического расчета (Комплекс расчета трубопровода, расход, скорость, диаметр трубы, потери напора и прочее.).
О. Рейнольде на основании результатов опытов и использования размерностей физических величин установил, что величина критической скорости прямо пропорциональна динамической вязкости μ и обратно пропорциональна плотности жидкости ρ и диаметру трубы d:
| где ν — кинематическая вязкость, ν=μ/ρ. Re — безразмерный эмпирический коэффициент, соответствующий Vкр. μ - динамическая вязкость. ρ - Плотность. |
μ - Динамическая вязкость, нам на практике вообще не пригодится, он пригодится лишь для осмысления, того что такое вязкость и как оно влияет на сопротивление.
ν — кинематическая вязкость, эта величина на практике обычно находится по специальным таблицам, для каждой жидкости при конкретной температуре. Она находится опытным путем. В других статьях обязательно размещу эти таблицы, для вашего пользования.
Этот коэффициент Re получил название число Рейнольдса.
Нижней критической скорости Vкр1 . соответствует критическое число Re1, а верхней критической скорости Vкр2 — число Re2.
Число Рейнольдса Re характеризует режим движения потока в трубе, движущегося со скоростью V:
Эту формулу желательно запомнить, этой формулой часто придется пользоваться при гидравлическом расчете, так что можете у себя пометить.
На основании опытов Рейнольдса и многочисленных исследований других ученых для круглых труб критическое число Рейнольдса лежит в пределах Re1 = 1000—2300. Для практических инженерных расчетов было принято значение Re1 = 2300. Ламинарный режим устанавливается, когда Re 4000. Это значение можно принять за Re2, при котором средняя скорость будет соответствовать верхней критической скорости Vкр2, (Re = 4000). При 4000 > Re > 2300 будет неустойчивый (неупорядоченный) режим движения, т.е. переходная неустойчивая критическая область течения жидкости.
Число Рейнольдса, являясь безразмерной величиной, одинаково для всех жидкостей и газов, а также диаметров трубопроводов. Однако для разных жидкостей и газов будут иметь место соответствующие критические скорости.
А теперь по простому объясню число Рейнольдса это некое число которое нам пригодится для гидравлического расчета. Число находится следующим образом: Скорость потока умножаем на диаметр потока и делим на кинематическую вязкость. Это самое основное что нужно делать на практике. Также в данной статье описана формула для круглых труб. Прошу обратить на это внимание, если у вас будет жидкость проходить по каким либо квадратным или треугольным каналам, то формула будет другая. Я не стал приводить другие формулы так как на практике чаще всего круглые трубы. Может в будущем сделаю статью про это.
Читайте также: