ЦЕЛЬ РАБОТЫ: исследование картины течения жидкости по прямой цилиндрической трубе. Выявление зависимости этой картины течения от критерия Рейнольдса.

ЦЕЛЬ РАБОТЫ: исследование картины течения жидкости по прямой цилиндрической трубе. Выявление зависимости этой картины течения от критерия Рейнольдса.

ОБОРУДОВАНИЕ, ПРИБОРЫ: установка по исследованию режима течения, термометр, мерные цилиндры на 250 мл и 1000 мл, секундомер.

ОБЩЕЕ ПОЛОЖЕНИЕ

Гидродинамика оценивает закономерности распределения скоростей различных точек жидкости по сечению и длине потока во времени. От этих закономерностей зависят и траектории движения отдельных точек. В целом вся гидродинамическая картина течения оценивается как режим движения жидкости.

Экспериментальными исследованиями установлено, что режим движения жидкости влияет на гидродинамическое сопротивление потоку, на процессы, протекающие с участием движущейся жидкости, причем характер режима течения оказывает влияния также и на форму зависимостей, оценивающих эти влияния. Режимы движения жидкости зависит от ряда величин, которые в целом выражаются через критерий Рейнольдса:

Где ω-средняя скорость потока, м/с;

d_э - эквивалентный диаметр потока, м;

р- плотность жидкости кг/м³;

µ-динамический коэффициент вязкости, Па·с;

v - кинематический коэффициент вязкости, м²/с.

Эквивалентный диаметр потока рассчитывается по формуле:

где S - площадь поперечного сечения потока, м²

П - смоченный периметр сечения, м.

Для потока, движущегося по круглой трубе при полном ее заполнении, эквивалентный диаметр совпадает с внутренним диаметром трубопровода.

С физической точки зрения критерий Рейнольдса (1)есть мера соотношения между инерционными (числитель) и вязкостными (знаменатель) силами, действующими в потоке движущейся жидкости. Малые величины критерия Рейнольдса соответствуют тому, что числитель менее влияет на характер течения и картина течения больше определяется величинами, входящими в знаменатель, т.е. вязкостными силами. Если в движущейся жидкости при этом возникнут какие-либо завихрения, пульсации или другие нарушения движения потока, то силы вязкости приведут к затуханию этих возмущений. Этим объясняется то, что при малых величинах критерия Рейнольдса жидкость течет спокойно, не перемешиваясь, траектории отдельных точек в прямых трубах прямолинейны и параллельны. Режим движения потока при такой картине течения носит название ламинарногои наблюдается для круглых труб при Rе<2320.

Если же числитель в формуле (1) значительно превышает знаменатель, то определяющим фактором для течения жидкости становятся инерционные силы, пропорциональные, как известно, скорости и массе, которую в формуле представляют диаметр и плотность.

Небольшие возмущения, пульсации, возникающие при этом в потоке, быстро распространяются через соседние частицы жидкости на весь поток, при этом вязкостные силы не в состоянии подавить такие нарушения ввиду их относительной слабости. Поскольку в потоке всегда имеются возмущающие воздействия (неожиданное изменение скорости по направлению и величине, шероховатости стенок, ограничивающих поток и др.), то при больших величинах критерия Рейнольдса поток всегда является возмущающим, т.е. отдельные частицы жидкости движутся хаотично, поскольку в потоке распространенны пульсации, завихрения, происходит непрерывное перемешивание. Такой режим движения жидкости носит название турбулентного. Он имеет место при Rе> 10000.

Между этими двумя режимами существует область, где могут проявляться свойства обоих. Она имеет место при 2320<Rе< 10000 и носит название переходной области.

Наибольшее значение критерия Рейнольдса, при котором еще сохраняется ламинарный режим, носит название критического, т.е. Rе_кр = 2320.

Описание установки

Установка состоит из напорного бака I (рис. 1), стеклянной трубки 4 и мерного бака 8. Вода поступает из сети через вентиль В1 и по трубе 2 вытекает в напорный бак 1. Уровень в баке устанавливается по верхнему срезу сливной трубы 3, по которой излишки воды стекают в сливную секцию 9. Вода из напорного бака перетекает по стеклянной трубке в мерный бак. Через напорный бак в эту же трубку из бутылки 5 через краник В2 по трубке 6 подается тонкой струйкой подкрашенная вода. Общий расход воды через трубу устанавливается вентилем ВЗ.

Мерный бак имеет две секции - сливную 9 и мерную 10. При настройке режима конец шланга 7 находится в сливной секции 9. при замере расхода шланг перебрасывается в мерную секцию, которая снабжена уровнемером 11 со шкалой 12. Слив из мерной секции осуществляется при открытом кране В4 в канализационный сборник. Замер температуры воды в напорном баке производится термометром 13.

ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ

В лабораторной работе исследуются все характерные режимы течения, настройка их производится визуально. Для каждого режима определяется значение критерия Рейнольдса. Следует также определить критические значения критерия Рейнольдса, т.е. режим перед началом нарушения ламинарного режима течения. Экспериментальная часть работы проводится на лабораторной установке следующим образом.

Конец шланга перебрасывается в сливную секцию. Открывается вентиль В 1, вода начинает заполнять напорный бачок. После заполнения бачка и начала слива излишков воды через переливную трубу прикрыть вентиль В 1 так, чтобы из переливной трубы вытекало не слишком много жидкости. Осторожно открыть краник В2 для подачи подкрашенной воды в трубку и наблюдая визуально, меняя положение маховика вентиля ВЗ, задать соответствующий режим течения и зарисовать наблюдаемую картину течения.

Для замера расхода протекающей жидкости конец шланга перебрасывается при закрытом кране В4 в мерную секцию и замеряется время заполнения секции до заданного объема, после чего шланг перебрасывается в сливную секцию, вентиль В4 открывается и вода из мерной секции полностью сливается. После закрытия вентиля В4 можно производить следующий замер. Каждый режим замеряется не менее трех раз. Для замера малых расходов жидкости следует использовать мерный цилиндр. Каждый раз определяется температура воды.

По завершению работы закрыть вентиль В1 и краник В2, открыть вентиль ВЗ и В4.

ОБРАБОТКА РЕЗУЛЬТАТОВ ОПЫТА

1. Определяется расход воды из трех замеров одного режима:

2. Рассчитывается площадь поперечного сечения стеклянной трубки:

Внутренний диаметр трубки 14 мм.

3. Определяется средняя скорость течении:

4. По табл.1 определяются свойства воды. Для промежуточных значений температур свойства определяются линейным интерполированием

Таблица 1

Свойства воды в зависимости от температуры.

t,°с
µ·1О^6, Па·с
р, кг/м^3

5. Рассчитывается значение критерия Рейнольдса.

6. Результаты опытов заносятся в таблицу.

Расчеты

1. Определяем расход воды:

м³/с

м³/с

м³/с

2. Определяем площадь поперечного сечения стеклянной трубки:

3.Определяем среднюю скорость течении:

м/с

м/с

м/с

4.Определяем значение критерия Рейнольдса:

- ламинарный режим

- переходный режим

- турбулентный режим

Таблица 2

Результаты опытов

Режим течения	S	t	µ×10^6	ρ	V	τ	Vс	ω	Re
м^2	°С	Па с	кг/м^3	м^3	с	м^3/с	м/с	-
Лами-нар-ный Пере-ход-ный Тур-булен-тный			1062	998,4 998,2	0,001 0,001 0,001	106,1 12,13 8,21	9,4×10^-^6 7,97×10^-5 1,21×10^-4	0,061 0,517 0,785

Вывод: в ходе лабораторной работы по экспериментальным данным был определен критерий Рейнольдса для разных режимов течения жидкости (ламинарном, переходном, турбулентном) и было экспериментально подтверждено, что при ламинарном режиме Rе<2320, при переходном 2320<Rе< 10000 и турбулентном режиме Rе> 10000.

Федеральное агентство по образованию РФ Государственное образовательное учреждение

Высшего профессионального образования Владимирский государственный университет

Кафедра ХТСК

Лабораторная работа

«Режимы движения жидкости»

Выполнил:

студент гр. ХТб-110

Владимир 2012

Дата добавления: 2015-08-27