Режимы движения жидкости.

Различные режимы течения жидкости можно проследить, вводя в поток подкрашенную струйку жидкости.

Впервые режимы течения жидкости изучались Рейнольдсом в 1883 г (рисунок 7).


а –ламинарный, б-турбулентный режим движения Рисунок 7 – Опыт Рейнольдса.

К сосуду А, в котором поддерживается постоянный уровень воды, присоединена горизонтальная стеклянная труба В. В эту трубу по ее оси через капиллярную трубку вводится тонкая струйка окрашенной воды. При небольшой скорости воды в трубе окрашенная струйка вытягивается в горизонтальную нить, которая, не размываясь, достигает конца трубы (рисунок 7 а), это свидетельствует о том, что пути частиц прямолинейны и параллельны друг другу.

Такое движение, при котором все частицы жидкости движутся по параллельным траекториям, называют струйчатым или ламинарным.

Если скорость воды в трубе увеличивать сверх определенного предела, то окрашенная струйка сначала приобретает волнообразное движение, а затем начинает размываться, смешиваясь с основной массой воды. Это объясняется тем, что отдельные частицы жидкости движутся уже не параллельно друг другу и оси трубы, а перемешиваются в поперечном направлении (рисунок 7 вверху).

Такое непорядочное движение, при котором отдельные частицы жидкости движутся по запутанным, хаотическим траекториям, в то время как вся масса жидкости в целом перемещается в одном направлении, называют турбулентным.


Рисунок 8 – Схематичное изображение ламинарного (a) и турбулентного (b) течения в плоском слое	Рисунок 9- Сопоставление формы профиля скорости ламинарного (а) и турбулентного течения. Вертикальная пунктирная линия – эпюра средней по сечению скорости.

В турбулентном потоке происходят пульсации скоростей, под действием которых частицы жидкости, движущиеся в главном (осевом) направлении, получают также поперечные перемещения, приводящие к интенсивному перемешиванию потока по сечению и требующие соответственно большей затраты энергии на движение жидкости, чем при ламинарном потоке.

Опыт показывает, что переход от ламинарного течения к турбулентному происходит тем легче, чем больше массовая скорость жидкости W [кг/(м2сек) ] - и диаметр трубы dи чем меньше вязкость жидкости μ. Рейнольдс установил, что указанные величины можно объединить в безразмерный комплекс , значение которого позволяет судить о режиме движения жидкости. Этот комплекс носит название критерия Рейнольдса:

Критерий Рейнольдса является мерой соотношения между силами вязкости и инерции в движущемся потоке.

При равных скоростях движения различных жидкостей в трубах одинакового диаметра турбулентность возникает тем легче, чем больше ρ и меньше μ, или чем меньше кинематическая вязкость .

Соответственно критерий Рейнольдса можно записать:

Переход от ламинарного к турбулентному движению характеризуется критическим значением Рейнольдса Re_кр.Так, при движении жидкостей по прямым гладким трубам Re_кр≈ 2320. При Re < 2320 течение обычно является ламинарным, поэтому данную область значений Re называют областью устойчивого ламинарного режима течения. При Re > 2320 чаще всего наблюдается турбулентный характер движения. Однако при 2320 < Re < 10000 режим течения еще неустойчиво турбулентный (эту область называют переходной). Хотя турбулентное движение при таких условиях более вероятно, иногда может наблюдаться ламинарный поток. Лишь при Re > 10000 турбулентное движение становится устойчивым (развитым).

Значение Re_кр = 2320 является условным, так как оно относится лишь к стабилизированному изотермическому потоку в прямых трубах с очень малой шероховатостью стенок. Наличие различных возмущений, обусловленных шероховатостью стенок трубы, изменением значения скорости потока или ее направления и т.п. может существенно снижать значение Re_кр.