РЕЖИМЫ ДВИЖЕНИЯ ВЯЗКОЙ ЖИДКОСТИ

Экспериментальные исследования, начало которым было положено знаменитым опытом Рейнольдса, проведенным более ста лет назад, показывают, что во всех случаях движения вязкой жидкости (в трубопроводе, в пограничном слое при обтекании тела, в струе, вытекающей в жидкость) возможны два качественно различных режима движения – ламинарный и турбулентный.

Основной частью установки Рейнольдса являлась стеклянная трубка, через которую протекала вода из бака. В начальный участок этой трубки вводилась подкрашенная жидкость той же плотности.

При малых числах ( здесь средняя скорость потока в трубке; d - диаметр трубки; кинематический коэффициент вязкости [м²/с] ) в опыте Рейнольдса окрашенная струйка сохраняет свою форму на всем протяжении трубки, не смешиваясь с окружающей жидкостью. Это значит, что каждая частица жидкости движется с постоянной скоростью по прямолинейной траектории. При этом все движение жидкости происходит как бы цилиндрическими концентрическими слоями. Такой режим движения называется ламинарным (слоистым).

При больших числах Рейнольдса (Re) наблюдается перемешивание окрашенной струйки с окружающей массой жидкости благодаря возникновению поперечных скоростей в трубке (пульсаций), вследствие чего струя размывается окружающим потоком. В этом случае в трубке наблюдается движение равномерно подкрашенной жидкости и на основное установившееся движение, как бы накладывается хаотическое беспорядочное движение. Такой режим течения вязкой жидкости называется турбулентным.

Переход от ламинарной формы движения к турбулентной наблюдается при определенном критическом значении числа Рейнольдса (Re_КР). Величина верхней границы точно не установлена, однако эксперименты показывают, что существует нижняя граница - при Re < 2300 всегда наблюдается устойчивое ламинарное течение.

Как показывают теоретические и экспериментальные исследования такой переход связан с потерей устойчивости ламинарной формы движения.

При переходе от ламинарного движения к турбулентному, эпюра скоростей частиц жидкости существенно трансформируется. При ламинарном движении эта эпюра имеет вид квадратичной параболы, а при турбулентном полнота эпюры резко возрастает (см. рис.1).

Рисунок 1. Сравнение эпюр скоростей в ламинарном и турбулентном движениях

49. В чем заключаются особенности турбулентного течения жидко­сти? Что такое модель Прандтля для турбулентного потока жид­кости ?

Величина дополнительных турбулентных напряжений имеет положительный знак и порядок