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/πd2
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:
Эта формула не особа пригодится. Так что не заморачивайтесь по этой формуле.
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 < 2300,
т.е. (Vd/ν)<2300 , и числу Re = 2300 соответствует критическая скорость Vкр1. Ламинарный режим на практике наблюдается при движении по трубам вязких жидкостей: минеральных масел, глицериновых смесей, мазута.
Как было установлено опытами, вполне развитое турбулентное движение имеет место при 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.
Следующая статья: Гидравлический расчет на потерю напора
В разделе ремонт отопления, можете подробно ознакомиться с нашими услугами. Что мы делаем:
- работаем круглосуточно;
- собственная аварийная служба;
- большое количество офисов по Москве и Московской области;
- используем только профессиональный инструмент;
- гарантия на выполненные работы;
- сервисное обслуживание систем отопления.
ООО ДИЗАЙН ПРЕСТИЖ
Надежный помощник по ремонту отопления.
+7(495)744-67-74
Рассчитать стоимость отопления можно в разделе калькулятор отопления
Узнать подробнее про водоснабжение
Ознакомиться с котельными тут