Студопедия Главная Случайная страница Обратная связь

Разделы: Автомобили Астрономия Биология География Дом и сад Другие языки Другое Информатика История Культура Литература Логика Математика Медицина Металлургия Механика Образование Охрана труда Педагогика Политика Право Психология Религия Риторика Социология Спорт Строительство Технология Туризм Физика Философия Финансы Химия Черчение Экология Экономика Электроника

ИЗУЧЕНИЕ РЕЖИМОВ ДВИЖЕНИЯ ЖИДКОСТИ




(4 ЧАСА)

 

2.1 Цель работы:

 

– пронаблюдать картину движения подкрашенной струи в потоке воды при ламинарном и турбулентном режимах движения в круглой и прямоугольной трубах; отметить при этом переход движения из ламинарного в турбулентное и состояние уровня воды в пьезометрических трубках;

– определить значения числа Рейнольдса.

2.2 Подготовка к лабораторной работе:

– изучить материал по теме данной работы в настоящем пособии;

– выучить определения основных понятий и терминов темы.

Основные термины и понятия:

– внутренняя задача гидродинамики;

– вязкий подслой;

– вязкость;

– вязкость динамическая;

– вязкость кинематическая;

– вязкость турбулентная;

– живое сечение потока;

– идеальная жидкость;

– ламинарный режим;

– масштаб турбулентности;

– объемный расход;

– пограничный слой;

– смоченный периметр;

– средняя скорость движения жидкости;

– турбулентный режим;

– эквивалентный диаметр.

 

2.3 Теоретические сведения

 

2.3.1 Режимы движения реальной жидкости

Опыты показывают, что любой вид движения вязкой жидкости может иметь два режима: ламинарный (слоистый) и турбулентный (вихревой).

Ламинарным называется такой режим движения жидкости, при котором в любой точке потока отсутствуют пульсации скорости и давления. При таком режиме движения уровни жидкости в пьезометрических трубках, присоединенных к каналу, в котором движение является установившимся, остаются неизменными во времени. При движении жидкости в ламинарном режиме отдельные слои потока имеют разную скорость (рисунок 2.1а) и как бы скользят друг относительно друга.

 

Рисунок 2.1 – Режимы движения жидкостей: ламинарный (а)

и турбулентный (б)

 

Турбулентным называется режим движения жидкости, при котором в центральной части потока (ядре) (рисунок 2.1б) и скорость, и давление пульсируют во времени относительно некоторого значения. Поэтому уровень жидкости в пьезометрической трубке, присоединенной к каналу, колеблется относительно некоторого среднего положения. При движении жидкости в турбулентном режиме в ядре потока, наряду с основным продольным перемещением жидкости вдоль канала, имеют место поперечные перемещения и вращательное вихревое движение отдельных объемов потока. Такой характер движения можно наблюдать, вводя в поток бесцветной жидкости, например воды, подкрашенную струйку. Напротив, в весьма тонком слое жидкости, непосредственно прилегающем к внутренней поверхности канала, движение является ламинарным, т.е. без перемешивания, пульсации скорости и давления.

2.3.2 Основные характеристики турбулентного потока

Структура турбулентного потока определяется скоростью его движения, физическими свойствами жидкости, формой и размерами ограничивающих поток стенок канала и другими факторами.

Отдельные элементы турбулентного потока – вихри – совершают хаотические неустановившиеся движения. Вихрь – это группа частиц, вращающихся вокруг одной мгновенной оси с одинаковой угловой скоростью. В процессе турбулентного течения вихри непрерывно возникают и распадаются. Глубина их проникновения до разрушения называется масштабом турбулентности. Масштаб турбулентности во многом определяется внешними условиями течения (например, диаметром трубопровода или канала).

Вихри пульсируют относительно их среднего положения в текущей жидкости. Аналогично пульсирует и мгновенная скорость в данной точке потока. Беспорядочное перемещение вихрей приводит к интенсивному перемешиванию жидкости по сечению потока. Пульсации– наиболее характерный признак турбулентности.

Одним из свойств турбулентного потока является турбулентная вязкость; в отличие от молекулярной вязкости она зависит от всех параметров, характеризующих турбулентность, поэтому средняя турбулентная вязкость потока значительно превосходит молекулярную вязкость.

Турбулентный поток условно подразделяют наядро и пограничный слой, в котором происходит переход турбулентного движения в ламинарное.

На рисунке 2.2 изображена модель структуры турбулентного потока.

 
 

Рисунок 2.2 – Модель структуры поперечного сечения

турбулентного потока

 

График профиля скорости (рисунок 2.2) позволяет выявить несколько областей, на которые можно разделить течение в канале:

а) вязкий подслой – изменение средней скорости определяется значением коэффициента молекулярной вязкости практически линейно, как и в ламинарном потоке;

б) переходный слой – вязкие и турбулентные напряжения сравнимы по величине; происходит резкое затухание турбулентности;

в) полностью турбулентный слой – на течение еще влияет эффект стенки, однако турбулентность развита уже в такой степени, что вязкими напряжениями можно пренебречь;

г) турбулентное ядро – поток полностью турбулентен; масштаб турбулентности обусловлен определяющим параметром канала (диаметром трубы).

Эти четыре области можно объединить следующим образом. Области 1 и 2 составляют вязкий слой – область вязкого течения (III), т.е. область, в которой вязкость играет значительную роль в возникновении трения. Области 3 и 4 образуют область полностью турбулентного течения (II). В этой области масштаб турбулентности не зависит от вязкости.

Области 1, 2 и 3 образуют пограничный слой – пристеночную область (I), в которой происходит переход турбулентного движения в ламинарное.

2.3.3 Распределение скоростей по сечению потока

Сравнение кривых на рисунке 2.3 показывает, что при турбулентном движении распределение скоростей (усредненных по времени) в поперечном сечении потока более равномерно, а нарастание скорости у стенок более крутое, чем при ламинарном режиме.

 

 

а б

1 – ядро потока; 2 – ламинарный слой

Рисунок 2.3 – Профиль скоростей в ламинарном (а)

и турбулентном (б) потоках

 

При ламинарном режиме движения имеет место параболическое распределение скоростей в сечении трубопровода. При этом средняя скорость жидкости равна половине скорости по оси трубы. Средняя же скорость при турбулентном потоке колеблется в пределах от 0,8 до 0,9wmax.

Судить о режиме движения жидкости в трубе с любой формой поперечного сечения можно по значению числа Рейнольдса:

, (2.1)

где υср – осредненная по времени скорость движения жидкости, м/с;

m – коэффициент динамической вязкости, Па·с;

r плотность жидкости, кг/м3;

dэк – эквивалентный диаметр канала, м.

Число Рейнольдса Reкр, соответствующее переходу режима из ламинарного в турбулентный, называется критическим.

Численное значение Reкр зависит от формы поперечного сечения и чистоты внутренней поверхности канала, а также от условий, в которых находится канал. Например, для круглых гладких труб, находящихся в особых лабораторных условиях, когда отсутствуют факторы, способствующие турбулизации потока (толчок, вибрация, удар и т.д.), Reкр=2320. Поэтому ламинарный режим движения в круглых трубах имеет место, когда Re<2320, турбулентный – при Re>2320. На практике, как правило, имеются условия, способствующие турбулизации потока: пульсация подачи, местные сопротивления, вибрация труб и т.д. Поэтому в большинстве практических случаев значения Rекр оказываются несколько, а иной раз и существенно, меньше значений, полученных в обычных лабораторных условиях.

 







Дата добавления: 2014-11-10; просмотров: 1542. Нарушение авторских прав

codlug.info - Студопедия - 2014-2017 год . (0.348 сек.) русская версия | украинская версия