Режимы движение жидкостей и газов. Число Рейнольдса

Существуют два принципиально различных режима течения жидкости: ламинарный и турбулентный.

Режим движения, при котором поток жидкости движется параллельно, скользящими друг относительно друга слоями или струйками, называется ламинарным. При этом режиме слои потока жидкости между собой не перемешиваются и движение происходит без пульсаций скорости. Ламинарный режим можно наблюдать в капиллярных трубках при движении вязких жидкостей типа нефти, мазута, сахарного сиропа и т. д.

Режим движения, при котором частицы жидкости движутся по беспорядочным, хаотическим траекториям, налагающимся на осредненное движение, называется турбулентным. В турбулентном потоке происходят пульсации скоростей, под действием которых частицы жидкости, движущиеся в главном (осевом) направлении, получают поперечные перемещения, приводящие к интенсивному перемешиванию потока по сечению.

Характеристикой режима движения жидкости в трубах служит безразмерная величина, называемая числом Рейнольдса Re:

, (29)

где – средняя скорость течения жидкости в сечении потока (см/с);

d – характерный линейный размер живого сечения потока (диаметр трубы) (см);

n – кинематический коэффициент вязкости жидкости (см²/с).

С физической точки зрения число Рейнольдса есть отношение сил инерции потока к силам трения.

Переход ламинарного режима движения в турбулентный происходит при достижении некоторого критического значения числа Рейнольдса

При движении жидкости в прямых круглых трубах на участках, достаточно удаленных от входа, и при отсутствии различных возмущающих условий установлено, что

при Re < 2320 режим движения жидкости устойчиво ламинарный;

в случае: Re > 2320 режим движения жидкости – турбулентный.

Значение числа Рейнольдса, соответствующее устойчивому переходу ламинарного движения к турбулентному и наоборот, называется критическим числом Рейнольдса Re_кр..

Следует отметить, что при 2320 < Re < 10 000 турбулентный режим течения еще не полностью развит. Здесь зоны турбулентного движения могут перемежаться с зонами ламинарного движения. Такой режим течения жидкости иногда называют переходным.

Режим движения жидкости оказывает существенное влияние на гидравлическое сопротивление и потери знергии потока.

Потери энергии при ламинарном режиме пропорциональны средней скорости потока в первой степени:

.

При турбулентном режиме, потери энергии пропорциональны средней скорости в степени n > 1:

,

где k_{т, и} k_л – коэффициенты пропорциональности.

Различие между ламинарным и турбулентным режимами имеется также и в распределении скоростей в живом сечении потока.

При ламинарном режиме распределение скорости по сечению имеет параболический закон (рис.2.1); при турбулентном режиме закон распределения более сложный (рис. 2.2).

Рис.2.1. Распределение скорости в поперечном сечении трубы при

ламинарном режиме движения жидкости.

Рис. 2.2. Распределение скорости в поперечном сечении трубы при

турбулентном режиме движения жидкости.