Описание экспериментальной установки и порядок проведения опыта

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №4.

ИЗУЧЕНИЕ РЕЖИМОВ ТЕЧЕНИЯ ЖИДКОСТИ (ОПЫТ РЕЙНОЛЬДСА)

Цель работы: Визуально изучить качественную картину перемещения жидкости при ламинарном и турбулентном режимах; по умелым разрешённым вычислить критическое число и критическую скорость Рейнольдса.

1 .расчётные зависимости и Основные положения.

При изучении перемещения вязкой жидкости различают два режима ламинарный и турбулентный.

Ламинарным режимом именуется слоистое перемещение жидкости. Силы внутреннего трения либо вязкости, появляющиеся между слоями при ламинарном перемещении, не позволяют проявиться пульсации скорости отдельных частиц и их переходу в соседние слои.

Турбулентным именуется режим, при котором слоистость перемещения жидкости нарушена, появляется пульсация скорости, вызывающая перемешивание жидких частиц в потоке.

Чёртом режимов перемещения помогает безразмерное число Рейнольдса

, (4.1)

где V — средняя скорость; d. — характерный линейный размер; n-коэффициент кинематической вязкости.

Число Рейнольдса Rе, при котором происходит переход ламинарного режима в турбулентный, именуется критическим — Rекр.

Ламинарный режим потока будет устойчивым при числах Рейнольлса меньших критического: для круглыхтруб при Reкрd=2320; для потоков некруглой формы либо открытых ReкрR =580.

Экспериментально установлено, что существует два критических числа Рейнольдса: нижнее критические число Рейнольдса — Reкрн и верхнее критическое число Рейнольлса — Reкрв.

В случае если число Рейнольдса, подсчитанное по формуле (4.1) окажется меньше значения нижнего критического числа, т.е. Re Reкрнто режим будет неизменно ламинарным, в случае если же Re Reкрв то режим перемещения будет неизменно турбулентным.

При числах Rе, удовлетворяющих неравенству

Reкрн Re Reкрв (4.2)

режим возможно или ламинарным, или турбулентным, в зависимости от предистории перемещения жидкости. Но, при указанных числахRеламинарный режим перемещения неустойчивый, мельчайшие возмущения, вносимые в ламинарный поток жидкости (к примеру, сотрясения трубы) не затухают и приводят к смене режима на турбулентный.

В отдельных случаях Reкрв может быть около 13600 и более.

Утраты напора hl по длине трубы при ламинарном перемещении пропорциональны скорости а первой степени hl=k1V, где k1-коэффициент пропорциональности, зависящий отразмеров свойств и трубы жидкости.

При развитом турбулентном режиме утраты hl пропорциональны квадрату скорости; hl=k1V2. В переходной области сопротивления (от доквадратичной к квадратичной), в то время, когда касательные напряжения в потоке от сил вязкости соизмеримы с напряжениямиот пульсаций скорости, вызывающей перемешивание, утраты напора hl пропорциональны скорости в степени выше первой, но ниже второй.

Описание экспериментальной установки и порядок проведения опыта.

Существование ламинарного и турбулентного режимов перемещения возможно проиллюстрировать опытом (вошедшим в историю как хороший опыт Рейнольдса) на лабораторной установке (рис.4.1).

Для визуального наблюдения режимов течения в стеклянной трубе 1, по которой движется вода, в главный поток вводится подкрашенная струйка жидкости из сосуда 3. В качестве подкрашеннойжидкости употребляется не сильный раствор марганца (нигрозина), подбирая его плотность примерно равной плотности воды чтобы не было гравитационного перемешивания.

Установившееся перемещение осуществляется поддержанием в сосуде 2 постоянного напора методом излива лишней воды. Скорость течения воды в трубе регулируется краном 4. Подкрашенная жидкость вытекает по капиллярной трубке и вводится в главный поток через иглу. Подача подкрашенной жидкости регулируется так, дабы скорости воды и цветной струйки в трубе были приблизительно однообразными.

При малых скоростях течения цветная струйка на всем протяжении трубы 1 не перемешивается с главным потоком. Плавным повышением скорости от нуля до большого значения возможно уловить момент, в то время, когда подкрашенная струйка размывается и жидкость по всему сечению трубы выясняется окрашенной. Это и имеется переход от ламинарного режима к турбулентному.

Опыт О.Рейнольдса есть хорошим примером диалектического закона перехода количества в уровень качества. Тут количественные трансформации скорости (повышение либо уменьшение) приводят в новое уровень качества перемещения (смена ламинарного режима турбулентным либо турбулентного ламинарным).

Установка Рейнольдса возможно использована не только для визуального наблюдения режимов перемещения, но и для определения количественных зависимостей- Разность показаний пьезометров, установленных в конце и начале стеклянной трубы, определяет утрату напора на разглядываемом участке.

Рис. 4.1. Установка дляизучения режимов перемещения жидкости

Для качественной оценки режимов перемещения жидкости нужно совершить замеры пьезометрических напоров P1/(rg), P1/(rg) по пьезометрам установленным в конце и начале стеклянного трубопровода, количество протекающей жидкости W за время t с визуальным фиксированием состояния подкрашенной струйки. Измерить температуру воды в опыте для выбора по граф.4.2 кинематическойвязкости воды. Эти измерений занести в таблицу 4.1.

Таблица 4.1

d=….cм, tводы =….0 С, nводы=..,см2/с
Умелые эти	Расчетные эти
№№	W	t	h1	h2	Режим	Q	V	hl	lgV	lghl	Rе
п/п	см3	с	см	см	течения	cм3/с	см/с	см
					замечаемый
				5,95	ламинарное	2,13	0,56	0,05	-0,25	-1,3	123,2
				5,95	ламинарное	3,88	1,02	0,05	0,008	-1,3	224,4
				5,95	ламинарное	7,83	2,06	0,05	0,31	-1,3	453,2
				5,95	ламинарное	18,02	4,74	0,05	0,68	-1,3	1042,8
				5,95	ламинарное	25,64	6,75	0,05	0,824	-1,3
				5,8	турбулентное	88,26	23,23	0,2	1,37	-0,69	5110,6
				5,6	турбулентное	216,42	56,96	0,4	1,76	-0,4	12531,2
			5,9	5,3	турбулентное	644,28	169,57	0,6	2,23	-0,22	37305,4

1.Изменяя расход в трубопроводе, а, следовательно, и скорость перемещения жидкости V, возможно определить зависимость hl=f(V). В случае если на логарифмической сетке (рис.4.2) по оси абсцисс отложить значения скоростей, а по оси ординат — соответствующие значения утрат напора, то соединив умелые точки, возьмём две прямые линии аЬ и cd. Линия аЬ соответствует ламинарному режиму, а cd — турбулентному. Точка учения прямых е определяет критическую скорость течения жидкости в круглой трубе Vкр, что позволяет выяснить критическое число Рейнольдса умелое Reкр.оп:

0бработка экспериментальных данных.

Применяя эти таблицы 4.1. выяснить:

Q=W/t (4.4)

2. Скорость течения водыв трубе диаметром d=2r

, (4.5)

3. Кинематическую вязкость воды по таблицам, графикам либо по формуле Пуазейля по известной температуре t в 0С:

n=0,0178/(1+0,0337t+0.000221t2), Ст (4.6)

4. Утраты напора по длине трубыприz1=z2

h1-h2=hl=(P1-P2)/(rg).

5. Выстроить в логарифмических координатах графикзависимости hl=f(V)

6. Отыскать по графику hl=f(V) lgVкр критическуюскоростьVкр.

7.Выяснить критическое число Рейнольдса (4.3).

8.Выяснить относительную погрешность опыта.

Вывод:

Визуально изучили качественную картину перемещения жидкости при ламинарном и турбулентном режимах.

КОнтРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ.

1.Какими характерными изюминками отличаются режимы перемещения?

2.Как растолковать, что утраты напора при ламинарном режиме перемещения жидкости в трубах пропорциональны скорости в первой степени, а в турбулентном перемещении — во второй?

3.Чем приведено к расхождению результатов опыта и теории?

4.Для чего в лабораторной работе поддерживается и как именно установившееся перемещение жидкости?

5.От чего число Рейнольдса?

6. Как воздействует температура перекачиваемой жидкости на режим перемещения жидкости, протяженность трубы, и ее диаметр?