Лабораторна робота №2

Визначення режимів руху рідини в циліндричній трубі

Мета роботи: провести візуальне спостереження за характером руху рідини в скляній циліндричній трубі при різній її швидкості, визначити числа Рейнольда і режим течії.

Загальні положення

В природі існують два принципово різних режимів руху рідини: ламінарний і турбулентний.

При ламінарному режимі рідина рухається шарувато, без перемішування її частинок, а також без пульсацій швидкості і тиску. В прямій трубі постійного перерізу усі лінії току направлені паралельно осі труби. В загальному випадку ламінарного руху форма ліній току визначається конфігурацією стінок, що обмежують потік.

При турбулентному режимі течія рідини супроводжується інтенсивним її перемішуванням, пульсаціями швидкостей і тисків. Рух окремих частинок є неупорядкованим, траєкторії їх мають різноманітний вид. Пояснюється це тим, що при турбулентному русі поряд з основним, поздовжнім переміщенням рідини, мають місце поперечні переміщення і обертальний рух окремих частинок.

Існування двох режимів руху рідини було підтверджене експериментально у 1883 році англійським вченим О.Рейнольдсом.

Досліди Рейнольдса показали, що основним критерієм для визначення режиму руху служить безрозмірне число, яке має його прізвище і визначається за формулою:

(1)

де v – швидкість руху рідини;

d – діаметр труби;

υ – коефіцієнт кінематичної в’язкості рідини.

Фізичний смисл числа Рейнольдса: це є величина, пропорційна відношенню сил інерції до сил тертя, що спричинюються в’язкістю.

Число Рейнольдса, при якому ламінарний режим руху рідини переходить у турбулентний, називають критичним.

(2)

Швидкість, що відповідає критичному числу Рейнольдса, має назву критична швидкість і визначається за формулою:

(3)

На підставі досліджень Re_кр ≈ 2300. При Re < 2300 рух рідини відбувається при ламінарному режимі, при Re > 2300 – при турбулентному режимі.

Маючи швидкість руху рідини, її в’язкість і діаметр труби, можна розрахунковим шляхом визначити режим течії за формулою (1).

На практиці мають місце як ламінарний, так і турбулентний режими руху. Перший режим спостерігається в основному у тих випадках, коли по трубах протікають достатньо в’язкі рідини, наприклад мастила та інші. Другий має місце у водопроводах, а також у трубах, якими протікають бензин, керосин, спирти, кислоти та інші малов’язкі рідини.

Опис лабораторної установки

Установка для спостереження за режимами руху рідини (води) (рис. 1) складається з відкритого напірного бака 1, до якого приєднана скляна трубка 2. вода в напірний бак подається по трубці 3, яка має вентиль 4. Для підтримання в напірному бакові постійного рівня рідини передбачена зливна трубка 5. Витрата рідини через скляну трубку 2 регулюється вентилем 6. Для визначення витрати рідини вимірюється час наповнення мірної ємності 7 до заданого рівня. У верхній частині бака знаходиться ємність 8 з водним розчином фарби, яка може по трубці 9 вводитися тонкою струминкою всередину потоку води у скляну трубку 2. Витрата підфарбованої рідини регулюється краном 10. Температура води вимірюється термометром 11.

Рис. 1 Установка для спостереження за режимами руху рідини

Порядок проведення досліду.

1.Відкрити вентиль 4 і наповнити бак водою. При цьому треба слідкувати за тим, щоб рівень води в ньому був постійним.

2. Встановити невелику швидкість руху води у трубці 2 вентилем 6.

3. Відкрити кран 10 і ввести тонкою струминкою через трубку 9 водний розчин фарби всередину потоку води у трубку 2.

4. Об’ємним способом визначити витрату води, користуючись мірною ємністю та секундоміром.

5. Термометром 11 виміряти температуру води.

6. Повільно відкриваючи вентиль 6 встановити трохи більшу витрату води і повторити всі вимірювання. Провести 3-4 досліди при ламінарному режимові.

Продовжуючи збільшувати витрату води, провести ще два досліди: при перехідному режимі (струминка підфарбованої води буде мати коливальний характер), а потім при турбулентному (струминка підфарбованої рідини повністю розмита і вода в трубці 2 рівномірно забарвлена).

Обробка результатів дослідів і оформлення звіту за роботу.

а) визначити витрату води

б) визначити швидкість руху води

де S – площа перерізу трубки (, d – діаметр трубки).

в) визначити коефіцієнт кінематичної в’язкості в залежності від температури.

г) знайти число Рейнольдса за формулою (5.1) і порівняти його з критичним. Зробити висновок про режими руху рідини.

Результати вимірювань і розрахунків занести в протокол досліджень і оформити звіт по роботі.

Протокол досліджень

Таблиця 1

№ досліду	V, м³	t, с	Q, м³/с	d, м	F, м²	V, м/с	T, ⁰С	ν, Н/м²	Re	Режим руху
1	0,0005	15	0,3*10^-4	0,02	0,3*10^-3	0,1	19	1,04*10^-6	1923	Ламінарний
2	0,0012	10	0,12*10^-3	0,02	0,3*10^-3	0,4	19	1,04*10^-6	7692	Турбулентний
3	0,006	17	0,35*10^-3	0,02	0,3*10^-3	1,1	19	1,04*10^-6	21153	Турбулентний

Контрольні питання

1. Які існують режими руху рідини?

2. Яким критерієм визначається режим руху рідини?

3. Надайте коротку характеристику режимам руху рідини.

4. Що таке критичне число Рейнольдса і як воно визначається?

5. Від яких факторів залежить кінематичний коефіцієнт в’язкості?

6. Що таке критична швидкість руху рідини в трубопроводі?

7. Де в практиці має місце ламінарний і турбулентний режими руху рідини?