Ламинарный и турбулентный режимы движения жидкости

Опыты показывают, что возможны два режима (вида) движения жидкости в гидравлических линиях:

• ламинарный (от латинского слова lamina – слой),
• турбулентный (от латинского слова turbulentus – возмущенный, беспорядочный).

Ламинарным называют слоистое течение без перемешивания частиц жидкости и без пульсаций скоростей и давлений. При ламинарном движении жидкости в прямой трубе постоянного сечения все линии тока направлены параллельно оси трубы, то есть поперечные перемещения жидкости отсутствуют. Такое движение является вполне упорядоченным и при постоянном давлении строго установившимся.

Турбулентным называют течение, сопровождающееся интенсивным перемешиванием жидкости и пульсациями скоростей и давлений. При таком движении векторы скоростей имеют не только осевые, но и нормальные к оси трубы составляющие, поэтому вместе с основным продольным движением жидкости вдоль трубы происходят поперечные перемещения (перемешивание) и вращение отдельных объемов жидкости. Этим объясняются пульсации скоростей и давлений.

Число Рейнольдса

Режим движения жидкости в трубе изменяется примерно при определенной средней по сечению скорости , которую называют критической. Значение этой скорости прямо пропорционально кинематической вязкости и обратно пропорционально диаметру трубы:

.

Входящий в эту формулу безразмерный коэффициент пропорциональности (критическое число Рейнольдса) одинаков для всех жидкостей и газов, а также для любых диаметров труб. Это означает, что изменение режима течения происходит при определенном соотношении между скоростью, диаметром и кинематической вязкостью:

. (1.5.1)

для труб круглого сечения .

С физической точки зрения, критерий Рейнольдса есть отношение сил инерции потока к силам трения при движении жидкости.

При движение жидкости является ламинарным, при - турбулентным.

В гидравлических приводах технологического оборудования устойчивое турбулентное течение жидкости в трубах наблюдается при , а при имеет место переходная, критическая область, в которой в разные периоды времени возможен ламинарный или турбулентный режим движения. Это объясняется тем, что на практике обычно имеются причины, способствующие турбулизации потока жидкости: вибрация труб и других гидравлических устройств, местные гидравлические сопротивления, неравномерность (пульсация) подачи объемных насосов и др.

В приводах технологического оборудования, в которых в качестве рабочей жидкости используют минеральные масла, турбулентный режим возникает при скоростях более , тогда как при проектировании предусматривают скорости до . Режим движения в таких трубопроводах, как правило, ламинарный.

Для труб и каналов некруглой формы характерным линейным размером является гидравлический радиус , определяемый соотношением (1.3.1), тогда число Рейнольдса для любой формы поперечного сечения потока, в том числе для случая безнапорного движения, можно определить по формуле

.

Режим движения жидкости оказывает существенное влияние на гидравлическое сопротивление и потери давления. Так, потери давления по длине трубы при ламинарном режиме движения пропорциональны средней скорости течения в первой степени, а при турбулентном режиме – в степени . С увеличением числа Рейнольдса показатель степени увеличивается, достигая максимального значения (рис. 1.5.1).

Рис. 1.5.1. Зависимость потерь давления на преодоление сил жидкостного трения по длине трубы от скорости и объемного расхода жидкости

Следовательно, при определении потерь давления надо знать вид движения жидкости и затем уже выбирать соответствующую формулу для расчета.