11836

Дослідження режимів руху рідини

Лабораторная работа

Физика

Дослідження режимів руху рідини: Методичні вказівки до лабораторної роботи №3 з дисциплін Технічна механіка рідин і газів Гідрогазодинаміка Гідравліка гідро та пневмоприводи / Укладачі Б.М. Завойко О.О. Мацієвська – Львів: Видавництво Національного університету Льві...

Украинкский

2013-04-12

416 KB

23 чел.

Дослідження режимів руху рідини: Методичні вказівки до лабораторної роботи №3 з дисциплін Технічна механіка рідин і газів, Гідрогазодинаміка, Гідравліка, гідро- та пневмоприводи / Укладачі Б.М. Завойко, О.О. Мацієвська – Львів: Видавництво Національного університету "Львівська політехніка", 2004. – 9 с.

Мета роботи: експериментальним шляхом дослідити наявність двох режимів руху рідини. Визначити для двох режимів числа Рейнольдса.

1. КОРОТКІ ТЕОРЕТИЧНІ ВІДОМОСТІ

Детальні експериментальні дослідження режимів руху рідини виконав англійський фізик О. Рейнольдс, результати яких опубліковано в 1883 році. Він показав, що характер руху рідини змінюється при переході швидкості течії через певні граничні значення, а також довів існування двох принципово різних режимів руху рідини – ламінарного та турбулентного.

Якщо пропускати рідину при малих швидкостях в трубі і вводити в потік за допомогою тонкої трубки барвник, в трубі добре видно чітко окреслену струминку. Рідина, що оточує струминку, рухається по трубі незабарвленою. Це свідчить, що обміну частинками рідини між суміжними струминками немає.

У розглянутому випадку частинки рідини в трубі рухаються прямолінійно паралельно до стінок труби і одна до одної. Перемішування частинок рідини відсутнє (рис. 1, а). Рідина в круглій трубі рухається немовби кільцевими шарами. Такий режим руху рідини називається ламінарним (від латинського слова lamina – шар).

При поступовому збільшенні ступеня відкриття вентиля на трубі швидкість течії в ній зростає. Забарвлена струминка рідини починає викривлятися (рис. 1, б) і в ній місцями виникають окремі завихрення та розриви (рис. 1, в). За подальшого збільшення швидкості течії забарвлена струминка розмивається по всьому об’єму труби. Це свідчить про інтенсивне поперечне перемішування рідини (рис. 1, г). Такий режим руху рідини називається турбулентним (від латинського слова turbulentus – бурхливий, безладний).

Рис. 1. Схематичне зображення руху струминки барвника в трубі

В момент, коли забарвлена струминка розмивається по всьому об’єму труби швидкість руху рідини в трубі досягає деякого критичного значення. Таку швидкість називають верхньою критичною швидкістю Vв.к, тобто швидкістю, за якої режим руху рідини переходить з ламінарного до турбулентного. Подальше відкриття вентиля на трубі і пов’язане з цим збільшення швидкості потоку не призводить до зовнішніх змін характеру руху: вся рідина, що рухається, залишатиметься зафарбованою, збільшується лише ступінь хаотичності руху частинок цієї рідини.

При плавному закритті вентиля явище повторюється в зворотному порядку. Проте перехід від турбулентного до ламінарного руху відбувається при менших значеннях критичної швидкості в трубі. Така швидкість називається нижньою критичною швидкістю Vн.к, тобто швидкістю, при якій турбулентний режим переходить в ламінарний.

Отже, при середній швидкості потоку V, меншій за Vн.к ( Vн.к) завжди буде ламінарний режим руху, а при  Vв.к – турбулентний. При швидкостях у межах Vн.к   Vв.к рух може бути і ламінарним, і турбулентним. Він залежить від зміни швидкості руху рідини. Якщо швидкість зменшується, то в зоні Vн.к   Vв.к буде турбулентний режим руху, тобто такий, який він був до цієї зони. І навпаки, при збільшенні швидкості в цій зоні збережеться ламінарний режим руху.

Експериментально встановлено, що найбільш повно режим руху рідини характеризує безрозмірний критерій – число Рейнольдса Re.

Значення Vн.к і Vв.к для круглих трубопроводів були встановлені О. Рейнольдсом:

;       (1)

де Reн.к, Reв.к – відповідно нижнє і верхнє критичне число Рейнольдса.

Для труб діаметром d число Рейнольдса визначають за формулою:

(2)

де V – середня швидкість руху рідини, см/с; d – діаметр трубопроводу, см;  – кінематична в’язкість рідини, см2/с.

За фізичною суттю число Рейнольдса характеризує відношення сил інерції до сил в’язкості. Намагаючись пояснити своїм учням фізичну зміст того, що відбувається в трубі Рейнольдс наводив таку аналогію. Рідину можна прирівняти з загоном солдат, ламінарну течію – з чіткім похідним строєм, турбулентну – з безладним рухом. Тоді швидкість руху рідини і діаметр труби – швидкість руху і розмір загону. В’язкість – дисципліна, густина – зброя. Чим більше загін, чим швидше маневри і чим важче зброя – тим раніше розладиться похідний порядок. Так само й в рідини – турбулентність починається тим швидше, чим рідина важче, чим менше її в’язкість, більше швидкість руху та діаметр труби.

За експериментальними даними встановлено, що для трубопроводів нижнє критичне число Рейнольдса Reн.к=2320. Верхнє критичне число Рейнольдса Reв.к для труб змінюється в межах від 4000 до 5000. У перехідній зоні ламінарний режим нестійкий і легко переходить у турбулентний, тому при розрахунках приймають лише одне розрахункове критичне число Рейнольдса Reкр=2320.

Для відкритих русел, лотків, труб некруглого перерізу при безнапірному русі рідини число Рейнольдса виражають через гідравлічний радіус R:

(3)

Гідравлічний радіус R визначається за формулою:

,       (4)

де – площа живого перерізу потоку, см2; – змочений периметр, тобто частина периметра живого перерізу, яка торкається стінок русла, см (рис. 2).

При напірному русі рідини в трубі змочений периметр  співпадає з периметром живого перерізу (рис. 2, а), а при безнапірному є лише частиною останнього (рис. 2, б).

а)                                   б)

Рис. 2. Змочений периметр для напірного і безнапірного руху рідини

Після обчислення числа Рейнольдса Re його значення порівнюють з критичним Reкр і визначають режим руху рідини.

Для труб круглого перерізу:

  •  при Re  2320 – ламінарний режим руху рідини;
  •  при Re  2320 – турбулентний режим руху рідини.

Для відкритих русел, лотків, труб некруглого перерізу критичне число Рейнольса (ReR)кр є в 4 рази меншим, ніж Reкр. Тобто (ReR)кр= 580:

  •  при ReR  580 – ламінарний режим руху рідини;
  •  при ReR  580 – турбулентний режим руху рідини.

У більшості випадків режим руху рідин – турбулентний. Ламінарний режим руху спостерігається в тонких капілярних трубках, при русі води в порах ґрунту (фільтрація), при русі дуже в’язких рідин у трубопроводах (нафта, мазут, оливи, цукровий сироп тощо).

2. ОПИС ЛАБОРАТОРНОЇ УСТАНОВКИ

Лабораторна установка, схему якої наведено на рис. 3, складається з напірного бака 1, приєднаної до нього напірної труби 2, на кінці якої знаходиться вентиль 4. Над напірним трубопроводом закріплено ємність 3 з розчином барвника. З ємності 3 по тонкій силіконовій трубці барвник може вводитися в досліджуваний потік рідини. Трубка з барвником спрямована в напрямку руху води. В кінці установки розміщено мірний бак 5 для визначення об’єму рідини.

Рис. 3. Схема лабораторної установки

3. ХІД ВИКОНАННЯ РОБОТИ

1. Перед виконанням дослідів резервуар 1 заповнюють водою. Після цього відкривають вентиль 4. При малих швидкостях руху води в трубі барвник, що подається з ємності 3, рухається окремою струминкою без змішування з потоком рідини. Це візуально підтверджує наявність ламінарного режиму руху рідини.

2. Поступово відкривають вентиль 4. Спостерігається перехід ламінарного режиму до турбулентного: забарвлена струминка починає коливатися в поперечному напрямку, утворюючи хвилясту лінію.

3. Наступне відкриття вентиля призводить до розривів струминки та до утворення вихорів. Далі забарвлена струминка розмивається, що свідчить про інтенсивне перемішування потоку, характерне для турбулентного режиму руху рідини.

При виконанні пп. 1–3 у мірний резервуар 5 набирають певний об’єм рідини W і заміряють секундоміром час її витікання t.

Об’ємну витрату Q для кожного досліду визначають за формулою:

,      (5)

Середню швидкість руху води визначають за формулою:

,       (6)

де – площа живого перерізу потоку, см2.

Число Рейнольдса Re обчислюють за формулою (2) і за ним визначають режим руху рідини в кожному окремому випадку.

Значення коефіцієнта кінематичної в’язкості приймають залежно від температури води t за таблицею 1.

Таблиця 1.

Залежність коефіцієнта кінематичної в’язкості залежно від температури води t

t, °С

5

10

12

15

20

, см2

0,0152

0,0131

0,0121

0,0114

0,0101

Якщо температура не співпадає з табличними значеннями, необхідно провести інтерполяцію. Можна також скористатися формулою Пуазейля:

    (7)

Результати дослідів та обчислень заносять у лабораторний журнал.

ЖУРНАЛ   ЛАБОРАТОРНОЇ   РОБОТИ

№ ч/ч

Об’єм витікаючої рідини

W, см3

Час витікання

t, с

Об’ємна витрата

Q, см3

Середня швидкість

V, см/с

Число Рейнольдса

Re

Висновки щодо режиму руху рідини

  1.  

  1.  

  1.  

  1.  

  1.  

  1.  

Діаметр трубопроводу d = 2,13 см; площа поперечного перерізу = ___ см2; температура води t = ___ °С; кінематична в’язкість = _____ см2

ВИСНОВКИ: ________________________________________________________________

________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

4. КОНТРОЛЬНІ ПИТАННЯ:

  1.  Чим характеризується ламінарний режим руху рідини?
  2.  Що таке верхня та нижня критичні швидкості?
  3.  Чим характеризується турбулентний режим руху рідини?
  4.  Як відбувається перехід від ламінарного режиму руху до турбулентного?
  5.  Сукупність яких величин визначає режим руху рідини?
  6.  Чому дорівнює нижнє та верхнє критичне число Рейнольдса для круглих труб?
  7.  Чому дорівнює нижнє критичне число Рейнольдса для відкритих каналів і труб некруглого перерізу?
  8.  Яка фізична суть критерію Рейнольдса?
  9.  Що таке гідравлічний радіус?
  10.  Як визначити змочений периметр для круглих труб і відкритих каналів?

ЛІТЕРАТУРА

  1.  Большаков В.А., Попов В.Н. Гидравлика. Общий курс: Учебник для вузов. – К.: Вища школа. Головное из-во, 1989. – С 78-81.
  2.  Константінов Ю.М., Гіжа О.О. Технічна механіка рідини і газу: Підручник. – К.: Вища школа, 2002. – С. 93-94.
  3.  Левицький Б.Ф., Лещій Н.П. Гідравліка. Загальний курс. – Львів: Світ, 1994. – С. 135-138.
  4.  Панова М.В. Лабораторный практикум по гидравлике. Учебное пособие для вузов. – М.: Энергия, 1969. – С. 38-41.
  5.  Чугаев Р.Р. Гидравлика: Учебник для вузов. – Л.: Енергия, 1975. – С. 100-104.

Навчальне видання

ДОСЛІДЖЕННЯ РЕЖИМІВ РУХУ РІДИНИ

Методичні вказівки

до лабораторної роботи № 3

з дисциплін “Технічна механіка рідин і газів”,

“Гідрогазодинаміка”, “Гідравліка, гідро- та пневмоприводи”

для студентів базових напрямів “Водні ресурси”, “Будівництво”, “Енергетика”, “Автоматизація та комп’ютерно-інтегровані технології”, “Інженерна механіка”

стаціонарної та заочної форм навчання

Укладачі:

Завойко Богдан Михайлович

Мацієвська Оксана Олександрівна

Редактор

Комп’ютерне складання

Здано у видавництво ХХ.ХХ.ХХХХ. Підписано до друку ХХ.ХХ.ХХХХ.

Формат 70100/16. Папір офсетний. Друк на різографі.

Умовн. друк. арк. ХХ.ХХ. Обл.-вид. арк. ХХ.ХХ.

Наклад ... прим. Зам. .......

Видавництво Національного університету "Львівська політехніка"

Поліграфічний центр

Видавництва Національного університету "Львівська політехніка"

вул. Ф. Колесси, 2, 79000, Львів


EMBED Рисунок AutoCAD 14  

EMBED Рисунок AutoCAD 14  


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

70678. Организационно-правовые формы осуществления предпринимательской деятельности субъектами малого бизнеса 108 KB
  Хозяйственными товариществами и обществами признаются коммерческие организации с разделенным на доли или акции учредителей участников уставным фондом. Хозяйственные товарищества Хозяйственными товариществами признаются коммерческие организации с разделенным...
70679. Поняття про біосферу 218.76 KB
  Межа біосфери в літосфері також чітко не окреслена. Починаючи з глибин 0,5-2 м від земної поверхні кількість живої речовини зменшується в логарифмічній послідовності. На глибинах понад 10 м породи, як правило, вже стерильні. Та навіть у товщі стерильної породи іноді трапляються острівці життя.
70680. Комплексное исследование рынка 104.5 KB
  Изучение товара: новизна и конкурентоспособность по сравнению с товарами конкурентов; соответствие требованиям местного законодательства существующих здесь правил и обычаев; способность удовлетворить нынешние и перспективные потребности потенциальных покупателей...
70684. Способы проведения полимеризации 251.5 KB
  Полимеризация экзотермический процесс и это необходимо помнить при ее осуществлении. Таким образом свободная атака мономера при инициировании полимеризации экзотермический процесс в то время как разложение инициатора эндотермический.
70686. Поликонденсация 2.79 MB
  Поликонденсацией называют реакцию образования высокомолекулярных веществ, в результате конденсации многих молекул, сопровождающейся выделением простых веществ (воды, спирта, углекислого газа, хлористого водорода и т. д.).