Тема Режими руху рідини Лекція 5
Тема: Режими руху рідини
5.1. Ламінарний та турбулентний режим руху рідини.
В візьмемо прозору трубу, в якій з невеликою швидкістюV1тече прозора рідина, наприклад, вода. У цей потік помістимо невеликі, значно менші, ніж діаметр потоку, трубки. У трубках під напором знаходиться підфарбована рідина, наприклад, кольорове чорнило, яке може з них витікати, якщо відкрити краниК. Відкриватимемо їх на короткий час (1-3 секунди) і припиняти подачу чорнила через якісь проміжки часу так, щоб можна було простежити рух кольорової рідини. У такому разі в потоці виникатимуть різнокольорові струмки, причому кольорова рідина явно показуватиме розподіл швидкостей (епюра швидкостей) по перерізу потоку. Цей розподіл буде відповідати розглянутій раніше струменевій моделі потоку. Якщо спостерігати за рухом рідини, то можна ясно бачити, що при переміщенні від перерізу 1 до перерізу 2 картина розподілу швидкостей залишатиметься постійною, а рух рідини буде шаруватим, плавним, всі струмки струму будуть паралельні між собою. Такерухзветьсяламінарне(від латинського слова lamina - шар).
Е якщо збільшити швидкість основного потоку до величиниV2і повторити експеримент з кольоровими струмками, то епюри швидкостей як би витягнуть , А характер руху залишиться колишнім, ламінарним. Принагідно зауважимо, що коефіцієнт кінетичної енергіїα, що входить до рівняння Бернуллі і враховує відношення дійсної кінетичної енергії потоку до кінетичної енергії, порахованої з використанням середньої швидкості, при «витягуванні» епюришвидкостей зростає.
Е якщо ще більше збільшити подачу рідини до швидкостіV3, то епюри швидкостей можуть витягнутися ще більше і при цьому протягом буде спокійним, плавним – ламінарним. Коефіцієнтαнаближається до значення2.
Однак до нескінченності збільшувати швидкість при ламінарному режимі руху потоку неможливо. Обов'язково настане такий момент, коли характер руху рідини зміниться радикально. Кольорові струмки почнуть спочатку коливатися, потім розмиватися та інтенсивно перемішуватися. Течія потоку стає неспокійною, з постійним вихроутворенням. Епюра розподілу швидкостей по перерізу потоку наблизиться до прямокутної форми, а значення швидкостей у різних перерізах потоку стануть практично рівними середньої швидкості руху рідини. Значення коефіцієнта кінетичної енергіїαнаближається до1.
Такий перебіг рідини називаєтьсятурбулентним(від латинського словаturbulentus- обурений, безладний).
Якщо зменшити швидкість течії рідини, відновитися ламінарний режим руху. Перехід від одного режиму руху до іншого відбуватиметься приблизно за однієї і тієї ж швидкості, яку називають критичною швидкістю і позначаютьVкр. Експерименти показують, що значення цієї швидкості прямо пропорційно кінематичному коефіцієнту в'язкості рідини
Безрозмірний коефіцієнт
Досвідченим шляхом встановлено, що критичне число Рейнольдса для круглих труб -2320для круглих труб, а для інших перерізів580.
Для визначення режиму руху в потоці треба знайтифактичне число РейнольдсаRe, яке можна встановити для будь-якого потоку за формулою
5.2. Фізичний зміст числа Рейнольдса
Фізичний зміст числа Рейнольдса полягає у зміні режимів перебігу рідини. В даний час не існує строгого науково доведеного пояснення цього явища, проте найбільш достовірною гіпотезою вважається наступна: зміна режимів руху рідини визначається ставленням сил інерції до сил в'язкості в потоці рідини. Якщо переважають перші, режим руху турбулентний, якщо другі - ламінарний. Турбулентні потоки виникають при високих швидкостях руху рідини та малої в'язкості, ламінарні потоки виникають в умовах повільного перебігу та у в'язких рідинах.
5.3. Кавітаційні течії
У деяких випадках при русі рідини виникають явища, пов'язані зі зміною її агрегатного стану, а саме, з перетворенням деяких її частинок на газоподібний стан.
Наприклад, при перебігу рідини через місцеве звуження труби відбувається збільшення швидкості та падіння тиску. Якщо абсолютний тиск при цьому зменшується до значення, рівного пружності насичених пар цієї рідини при даній температурі, або до тиску, при якому починається інтенсивне виділення з неї газів, то в цьому місці потоку починається інтенсивне пароутворення і виділення газів. У частині потоку, що розширюється, швидкість зменшується, а тиск зростає, івиділення парів та газів припиняється; пари, що виділилися частково або повністю конденсуються, а гази поступово розчиняються.
Цемісцеве порушення суцільності течіїз утворенням парових і газових бульбашок (каверн), обумовлене місцевим падінням тиску в потоці, називаєтьсякавітацією.
Якщо в прозорій трубці, діаметр якої спочатку плавно зменшується, а потім ще більш плавно збільшується, тече потік рідини, швидкість якого регулюється, можна візуально спостерігати наступні явища.
П
у трубці з'являється чітко видиме помутніння рідини, обумовлене появою бульбашок газу. Це і є зона кавітації.
За подальшого збільшення швидкості розміри зони кавітації зростають. Кавітація супроводжується характерним шумом, а при тривалому її впливі також і ерозійним руйнуванням твердих, як правило, металевих стінок. Останнє пояснюється тим, що конденсація бульбашок пари (і стиснення бульбашок газу) відбувається зі значною швидкістю, частинки рідини, що заповнюють порожнину бульбашки, що конденсується, спрямовуються до його центру і в момент завершення конденсації викликають місцевий гідравлічний удар, тобто значне місцеве підвищення тиску. Руйнування матеріалу при кавітації відбувається не там, де виділяються бульбашки, а там, де вони конденсуються внаслідок тривалого впливу знакозмінних сил.
Кавітація у звичайних випадках явище небажане.
При кавітації також зростає опіртрубопроводів і, отже, зменшується їхня пропускна здатність.
«Кавітація може виникати у всіх пристроях, де потік зазнає місцевого звуження з подальшим розширенням, наприклад, у кранах, вентилях, засувках, діафрагмах, жиклерах тощо. В окремих випадках виникнення кавітації можливе також і без розширення потоку слідом за його звуженням, а також у трубах постійного перерізу зі збільшенням нівелірної висоти та гідравлічних втрат.
Кавітація може мати місце в гідромашинах (насосах і гідротурбінах), а також на лопатях гребних гвинтів, що швидко обертаються. У цих випадках наслідком кавітації є різке зниження коефіцієнта корисної дії машини і потім поступове руйнування її деталей, схильних до впливу кавітації. У гідросистемах кавітація може виникати в трубопроводах низького тиску - у трубопроводах, що всмоктують. У цьому випадку область кавітації поширюється на значну частину трубопроводу, що всмоктує, або навіть на всю його довжину. Потік у трубопроводі при цьому стає двофазним, що складається з рідкої та парової фаз.
У початковій стадії паровиділення парова фаза може бути у вигляді дрібних бульбашок, розподілених за обсягом рідини, що рухається, приблизно рівномірно. При подальшому парогазовиділенні відбувається укрупнення бульбашок, які у разі горизонтального розташування труби рухаються переважно у верхній частині її перерізу.
Надалі можливі випадки повного поділу парогазової та рідкої фаз і рух їх самостійними потоками, перша фаза - у верхній, друга - в нижній частині перерізу трубопроводу. При невеликих діаметрах трубопроводу можливе утворення парогазових пробок і рух фаз, рідкої та газової, стовпчиками, що чергуються.
Зі збільшенням парогазової фазипропускна спроможність трубопроводу значно зменшується. Конденсація парів, що виділилися, і розчинення газу відбувається в насосах, де тиск значно підвищується, і в напірних трубопроводах, по яких рідина рухається під високим тиском від насоса до споживача.
Кавітація, обумовлена виділенням парів рідини, відбувається по-різному в однокомпонентних (простих) та багатокомпонентних (складних) рідинах. Для однокомпонентної рідини тиск, що відповідає початку кавітації, цілком визначається пружністю насичених пар, яка залежить тільки від температури, і кавітація протікає так, як було описано вище.
Багатокомпонентна рідина складається з про легких і важких фракцій. Перші мають велике значення пружності парів, ніж другі, тому при кавітації спочатку закипають легкі фракції, а потім важкі. Конденсація пари відбувається у зворотному порядку, спочатку випадають важкі фракції, потім - легкі.
За наявності легких фракцій багатокомпонентні рідини схильні до кавітації, і парова фаза в них утримується довше, але процес кавітації виражений менш різко, ніж у однокомпонентних рідин».
Для характеристики перебігу з кавітацією застосовується безрозмірний критерійχ, званийчислом кавітаціїі рівний
Зазвичай число кавітації визначають на вході в той чи інший агрегат, всередині якого можливе виникнення кавітації.
Значення
Гідравлічний удар може бути спрямований і у зворотний (від заслінки) бік. Це станеться, якщо різко перекрити воду, потік якоїдосить протяжний. Рідина, рухаючись за інерцією, відірветься від заслінки, а простір між заслінкою і рідиною заповнитися водяною парою під дуже низьким тиском (подібно до вакууму). Зрештою, потік рідини під дією зовнішнього тиску загальмується, зупиниться і з швидкістю, що наростає, рушить у протилежному напрямку.
Гідравлічний удар може зіграти також корисну роль. Якщо пошкодження вже є, знайти його розташування допоможе невеликий гідравлічний удар. Він створить хвилю, що біжить трубопроводом, яка, відбившись від місця пошкодження, повернеться через деякий час. На цей час легко визначити відстань до пошкодженої ділянки.