Лаб. раб. № 3 (Архив лабников)

4

Л

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №3

ИССЛЕДОВАНИЕ СМЕНЫ РЕЖИМОВ ТЕЧЕНИЯ

Исследование смены режимов течения

Задачи работы

Ознакомиться с ламинарным и турбулентным режимами течения вязкой жидкости в круглой трубе и исследовать процессы смены этих режимов.

Описание установки

Кинематические и динамические характеристики потока существенно зависят от режима движения жидкости. Результаты опытов показывают, что в зависимости от числа Рейнольдса Re возможны два резко различающиеся по своим свойствам режимы движения: ламинарный и турбулентный.

Изменение режима движения жидкости можно наблюдать на приборе Рейнольдса (рис. 3.1).

5

1

2

3

4

7

6

d

Рис. 3.1. Схема установки

Прибор состоит из успокоительного бака 1, к которому присоединена прозрачная труба 2 с краном 3 для регулирования расхода воды. В состав установки входит также бачок 5 с краской (плотность краски близка к плотности воды), к которому присоединена тонкая трубка с краном 7.

С помощью крана 3 в трубе устанавливается небольшой расход, при котором режим движения будет ламинарным. Если при этом, открыв кран 7, впускать в поток краску, то резко очерченная тонкая струйка краски, не размываясь, будет двигаться прямолинейно вместе с окружающим потоком воды по всей длине трубы, свидетельствуя о наличии в трубе ламинарного, т.е. слоистого, движения без перемешивания частиц потока.

Постепенное увеличение расхода в трубе, достигаемое открыванием крана 3, приводит в начале к появлению интенсивно нарастающих колебаний струйки краски, а затем (при достижении критической скорости , соответствующей Re_кр) к её быстрому размыванию и перемешиванию с потоком воды. Это свидетельствует о появлении в потоке беспорядочных поперечных движений частиц жидкости, обусловленных переходом режима движения от ламинарного к турбулентному.

При постепенном закрывании крана 3 явление повторяется в обратном порядке. Однако переход от турбулентного режима к ламинарному происходит при скорости, меньшей той, при которой наблюдается переход от ламинарного движения к турбулентному.

Рейнольдс установил наличие двух критических скоростей: одной – при переходе ламинарного режима движения в турбулентный режим (верхней критической скорости ), другой – при переходе турбулентного режима в ламинарный (нижней критической скорости ). Опытным путем доказано, что значение верхней критической скорости зависит от внешних условий опыта: постоянства температуры, уровня вибрации установки и т.д. Нижняя критическая скорость в широком диапазоне изменения внешних условий остается практически неизменной.

При течении жидкости кинематической вязкостью со средней по сечению скоростью в круглой трубе диаметром d число Рейнольдса определяется следующим образом:

. (3.1)

По опытным данным численные значения нижнего и верхнего критических чисел Рейнольдса соответственно равны: Re _{н. кр.}= 2300, Re _{в. кр.}= 12000–13000 .

Порядок выполнения работы.

1. Записать со стенда численное значение диаметра трубы 2: d=18 мм.

2. Термометром измерить температуру t воды и затем по графику определить кинематическую вязкость жидкости.

3. С помощью крана 3 установить в трубе 2 ламинарный режим* и измерить при этом расход жидкости весовым способом.

4. Постепенно изменяя открытие крана 3, перейти от ламинарного к турбулентному режиму, а затем осуществить переход в обратном направлении. В каждом случае определить расход жидкости.

5. Для каждого из установленных режимов вычислить среднюю по сечению скорость жидкости и рассчитать по формуле (3.1) число Рейнольдса.

6. Сделать вывод о совпадении или не совпадении визуальных наблюдений за режимом течения и рассчитанных значений чисел Рейнольдса.

* Визуальное определение режима течения (по поведению подкрашенной жидкости) фиксируется на бланке лабораторной работы в графе «режим течения».