Изучение режимов движения жидкости

Изучение режимов движения жидкости

Цель работы: визуальное наблюдение за движением жидкости в стеклянной трубке и вычисление критерия Рейнольдса для наблюдения режимов.

Краткие теоретические сведения:

Опытами установлено, что режим потока может существенно меняться с изменением различных его параметров. Если отдельные слои, струйки жидкости или газа перемещаются, не смешиваясь между собой, то режим движения потока называется ламинарным. Если частицы жидкости движутся хаотично и течение сопровождается массообменном между слоями (струйками), то режим движения называется турбулентным.

Влияние параметров потока в трубе на переход от одного режима движения к другому было установлено опытами Рейнольдса. Критерием режима течения является комплекс величин, который носит названия критерия Рейнольдса и для трубопроводов имеет следующий вид:

Где — средняя скорость движения жидкости или газа; d — диаметр трубы; - плотность жидкости или газа; µ и — соответственно динамический и кинематический коэффициенты вязкости жидкости или газа.

Существует некоторое критическое значение числа Рейнольдса Re_кр, характеризующее границу перехода от одного режима движения жидкости к другому.

Описание установки:

Экспериментальная установка (рис. 1) состоит из двух металлических баков 2 и 9, соединенных стеклянной трубкой 13. Поток по ней движется из бака 9 в бак 2. Поступление воды из водопровода в бак 9 регулируется краном 8. Регулирование расхода воды в трубе 13 осуществляется краном 1. Для обеспечения устойчивого движения потока по трубе 13 необходимо, чтобы перепад уровней жидкости в баках 2 и 9 оставался во время каждого замера одинаковым. С этой целью в баке 9 установлен водослив 7 со сливной трубой 11. Водослив позволяет сбрасывать излишки воды и тем самым обеспечивать постоянство уровня воды на входе в стеклянную трубу 13. Для контроля уровня воды в баке 9 служит водомерная трубка 12. С целью снижения начальной степени возмущений потока при входе в трубу, бак 9 разделен перегородкой 10, позволяющей существенно успокоить поток перед входом в трубу. Для наблюдения структуры потока при различных режимах его движения, в трубу 13 по трубке 5 из бачка 3 вводится подкрашенная жидкость, обладающая почти такими же свойствами, что и вода. Поступление подкрашенной жидкости через загнутый под прямым углом конец трубки 5 в трубу 13 регулируется краником 4.

Температура воды при определении кинематического коэффициента вязкости измеряется термометром 6.

Расход движущейся жидкости в трубе 13 определяется отношением объема воды в мерном баке 14 к времени его заполнения. Объем воды в мерном баке 14 определяется произведением площади его поперечного сечения (S_б=0,077 м²) и разностей уровней жидкости в водомерной трубке 15. Время заполнения бака 14 фиксируется секундомером. Опорожнение осуществляется открытием крана 16.

При выполнении этой лабораторной работы производится три опыта, в каждом из которых необходимо сделать по три замера.

Первый опыт

• 1. Открытием кранов 1 и 4 создается ламинарный режим движения жидкости (подкрашенная струйка по всей длине трубы 13 не размывается).
• 2. Наполнив бак 14 на заданный преподавателем уровень, остановить секундомер и закрыть кран 16.
• 3. Произвести замер объема воды в баке 14.
• 4. Записать время заполнения бака, объем воды и её температуру.

Все замеры при этом режиме произвести еще два раза. При замерах кран 4 можно перекрыть.

Второй опыт

• 1. При открытом кране 4 медленно открывать кран 1, постепенно увеличивая скорость воды в трубке 13 до тех пор, пока подкрашенная струйка не приобретет волнообразную форму.
• 2. Повторить п.п. 2,3,5, и 6 первого опыта

Третий опыт

• 1. Постепенно открывая кран 1, увеличивать скорость воды в трубе 13 до полного размыва струйки подкрашенной жидкости (развитый турбулентный режим).
• 2. Повторить п.п. 2,3,5 и 6 первого опыта

Основные расчетные формулы:

Расход воды:

.

где W_i — объем воды в баке при iом измерение.

t_i — время заполнения бака при iом измерение.

Средний расход:

Кинематический коэффициент вязкости.

— измеренное значение температуры воды; и — соответственно температуры, для которых температура является промежуточной и которым соответствуют следующие значения кинематического коэффициента вязкости:

°С.	V, см2/с.	°С.	V, см2/с.
	0,0178.		0,0114.
	0,0152.		0,0101.
	0,0131.		0,0084.
	0,0124.		0,006.

и соответственно значения кинематических коэффициентов вязкостей воды, соответствующие значениям температур и.

Число Рейнольдса для каждого из режимов вычисляется по формуле рейнольдс вязкость жидкость поток.

где d — внутренний диаметр стеклянной трубы стенда.

Обработка данных Результаты измерений и обработки опытных данных.

№. опыта.	Измеренные величины.	Расчетные величины.
Т,. оС.	W, см3	t,. с.	. см2/с.	Q,. см3/с.	Q c,.	Re.	Режим движения.
1.1 1.2 1.3 2.1 2.2 2.3 3.1 3.2 3.3	9 9 9 5 5 5 4 4 4	7700 7770 7770 7700 7700 7700 7700 7700 7700	89 95 92 48 49 48 26 25 26	0,0131 0,0131 0,0131 0,0152 0,0152 0,0152 0,0152 0,0152 0,0152	87,3 81,78 83,54 161,8 161,9 161,8 298,84 298,75 298,84	84,2 161,58 298,8	1530,9 2490 4596	Ламинар. Лам. Турб. Турбул.

Используя основные расчетные формулы, получаем расход жидкости, число Рейнольдса. В результате определяем режим движения жидкости.

d =5.5.

Благодаря данной лабораторной работе, мы ознакомились с двумя основными режимами движения жидкости, формулам, с помощью которых мы можем определять режим течения жидкости и находить критическую точку перехода. В ходе лабораторной работы мы провели 9 опытов, по три в каждом исследуемом режиме: ламинарном, переходном из ламинарного в турбулентный и турбулентный. Были получены экспериментальные время заполнения бака жидкостью и температура воды в каждом опыте. С помощью формул мы нашли число Рейнольдса для каждой серии опытов. Полученные нами данные практически совпали с теоретическими. Опыт признан успешным.