Вопрос 7: Режимы движения реальной жидкости. Интенсивность турбулентности.

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.

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.