Досвід Рейнольдса
Мета роботи – візуальне вивчення якісної картини руху рідини при ламінарному та турбулентному режимах.
Завдання за результатами експерименту:
- визначити критичну швидкість;
- критичне число Рейнольдса.
2.1. Короткі теоретичні основи
При вивченні руху в'язкої рідини розрізняють два режими – ламінарний та турбулентний.
Ламінарним режимом називається шаруватий рух рідини. Сили внутрішнього тертя або в'язкості, що виникають між шарами при ламінарному русі, не дають проявитися пульсації швидкості окремих частинок та їх переходу до сусідніх шарів.
Турбулентним називається режим, при якому шаруватість руху рідини порушена, з'являється пульсація швидкості, що викликає перемішування рідких частинок потоку.
Характеристикою режимів руху є безрозмірне число Рейнольдса
,
де – середня швидкість;
- Характерний лінійний розмір;
- Коефіцієнт кінематичної в'язкості.
Число Рейнольдса .
Ламінарний режим потоку буде стійким при числах Рейнольдса менших за критичний: для круглих труб при = 580.
Експериментально встановлено, що є два критичних числа Рейнольдса: нижнє критичні число Рейнольдса - .
Якщо число Рейнольдса, підраховане формулою (2.1), виявиться менше значення нижнього критичного числа, тобто. , то режим руху завжди турбулентним.
При числах, що задовольняють нерівність
,
режим може бути або ламінарним, або турбулентним, залежно від передісторії руху рідини. Однак при зазначених числах ламінарний режим руху нестійкий; найменші обурення, що вносяться в ламінарний потік рідини(наприклад, струс труби), не згасають і призводять до зміни режиму на турбулентний.
Різниця показань п'єзометрів, встановлених на початку і наприкінці скляної труби, визначає втрату натиску на ділянці, що розглядається.
2.2. Опис лабораторної установки
Існування ламінарного та турбулентного режимів руху можна проілюструвати досвідом (що увійшов до історії як класичний досвід Рейнольдса) на лабораторній установці (рис. 2.1)
Мал. 2.1. Установка для вивчення режимів руху рідини
1 – кран подачі води; 2 – горизонтальна скляна труба; 3 – напірна ємність;
4 – судина з рідиною, що підфарбовує (малиновий колір); 5 – вентиль, що регулює потік рідини на горизонтальній трубі (подача, швидкість, тиск потоку); 6 – мірний бак (зливний); 7 – секундомір формату ММ:СС; 8 та 9 – п'єзометри; 10 – кран судини
з підфарбовуючою рідиною;
Мал. 2.2. Зразок електронного датчика напору (рівнемір)
Для візуального спостереження режимів течії в скляній трубі 2, по якій рухається вода, в основний потік вводиться підфарбований струмінь рідини з судини 4. Як підфарбована рідина використовується слабкий розчин марганцю (нігрозину), підбираючи його щільність приблизно рівної щільності води, щоб уникнути гравітаційного перемішування.
Установлений рух здійснюється підтримкою в посудині 3 постійного натиску шляхом виливу зайвої води через відведення, витрата заміряється за допомогою мірного бака 6 і секундоміра 7. Швидкість течії води в трубі регулюється краном 5. Підфарбована рідина витікає по капілярній трубці 11 івводиться в основний потік через голку. Подача підфарбованої рідини регулюється таким чином, щоб швидкості кольорового струменя та води в трубі були приблизно однаковими.
При дуже малих швидкостях течії кольоровий струмінь на всьому протязі труби 2 не перемішується з основним потоком. Плавним збільшенням швидкості від нуля до максимального значення можна вловити момент, коли підфарбований струмінь розмивається і рідина по всьому перерізу труби виявляється забарвленою. Це і є перехід від ламінарного режиму до турбулентного.
2.3. Порядок виконання роботи насправді
Згідно з завданням варіанта студенту потрібно вивчити рух рідини в 10 режимах (значення витрат).
1. Студент відкриває вентиль 5 на скляній трубці 2 і обертанням вентиля 5 встановлює i-ий витрата рідини і чекає стабілізації режиму (1-2 с).
2. Потім відкриває кран 10 на посудині з підфарбованою рідиною.
3. Закриває кран 12. Фіксує дані для обчислення витрати: вимірює зміну рівня рідини в резервуарі 6 за час t секундоміром 7.
4. Фіксує значення напорів у п'єзометрах 8 та 9.
5. Потім студент спостерігає за структурою потоку у скляній трубці 2 (близько). Робить висновок: ламінарний потік у цій точці, перехідний чи турбулентний.
6. Дані вимірів заносить до таблиці 2.1.
7. Випорожнює мірний бак 6 за допомогою крана 12.
8. Кран 5 після закінчення експерименту не закриває.
9. Експеримент повторюється 10 разів, крім п.2.
-6 м 2 /с