Работы №3 и №4 Режимы течения

Лабораторная работа № 3
ИССЛЕДОВАНИЕ СМЕНЫ РЕЖИМОВ ТЕЧЕНИЯ
Многочисленными экспериментами установлено существование двух режимов
течения жидкости: ламинарного и турбулентного. Наличие того или иного режима
определяется отношением сил инерции к вязкости, называемым числом Рейнольдса
Fi L
 ,
F 
где υ – некоторая характерная скорость (обычно средняя по сечению); L – характерный
линейный размер поперечного сечения; ν - кинематический коэффициент вязкости.
В качестве параметра L для круглых труб принимается диаметр трубы d, реже радиус R.
Для каналов некруглого поперечного сечения – обычно величина гидравлического
диаметра dг или гидравлического радиуса Rг , причем гидравлический радиус определяется
как отношение площади “живого” сечения ω к смоченному периметру χ.
Re 
RГ  

Гидравлический диаметр по аналогии с соотношением, получающимся для круглых
труб, принимается равным четырем гидравлическим радиусам.
Изменять число Рейнольдса в трубе данного диаметра, заполненной определенной
жидкостью, можно, изменяя скорость течения жидкости υ.
При малых расходах режим течения в трубе может быть ламинарным, причем при
числах Рейнольдса, меньших некоторого критического числа Reкр, любые возмущения,
вносимые в поток, затухают и сохраняется устойчивый ламинарный режим. Для круглых
труб значение критического числа Рейнольдса принято считать равным
Reкр =2320.
Ламинарный режим может существовать и при числах Re>Reкр, однако такое
течение будет неустойчивым, и внесение любых возмущений приведет к турбулизации
потока.
Наличие ламинарного или турбулентного потока можно наблюдать по поведению
подкрашенной струйки жидкости в прозрачной трубе: при ламинарном течении
подкрашенная струйка течет, не смешиваясь с другими слоями жидкости; при
турбулентном – подкрашенная струйка интенсивно размывается вследствие пульсаций
скорости.
Задачи работы
Ознакомиться с ламинарным и турбулентным течениями жидкости, изучить переход
из одного режима в другой.
Произвести зарисовку структуры потока при различных режимах, определить
соответствующие числа Рeйнольдса и критическое число Рейнольдса.
Схема экспериментальной установки и ее краткое описание:
Вода из напорного бака 1 с постоянным уровнем (pис. 1) поступает в стеклянную
трубку 2, в конце которой установлен кран 3 для регулирования расхода. Расход измеряется
весовым способом с помощью мерного бачка 4. Визуализация течения осуществляется
введением в трубку подкрашенной струйки, поступающей из бачка 5, снабженного краном
6. Температура жидкости определяется термометром.
Порядок проведения эксперимента и состав измерений
1. Наблюдая поведение окрашенной струйки, установить ламинарный режим
течения, регулируя расход концевым краном.
2. Открывая постепенно кран, установить момент перехода от ламинарного режима к
турбулентному. Измерить соответствующий расход.
3. Установить турбулентный режим течения, измерить расход.
4. Записать температуру жидкости.
5. 3арисовать структуру потока для всех трех случаев.
Обработка результатов измерений
Вычислить числа Рейнольдса, соответствующие ламинарному, тypбулентному
режиму и моменту перехода, т.е. Rекр, определив среднюю скорость по формуле υ=Q/ω, где
Q- расход, ω- площадь поперечного сечения трубки.
Проанализировать соответствие полученных результатов литературным данным.
-----------------------Лабораторная работа №4
ОПРЕДЕЛЕНИЕ СТЕПЕНИ ТУРБУЛЕНТНОСТИ ПОТОКА
Введение
При турбулентном режиме движение жидких частиц имеет хаотический характер.
Параметры потока в каждой точке беспорядочно изменяются во времени. Турбулентное
течение можно представить как результат сложения основного упорядоченного течения и
вторичного наложенного на него неустановившегося течения с пульсирующими по
величине и направлению скоростями.
Хотя абсолютные значения скоростей пульсации обычно много меньше основных
скоростей в потоке, их влияние на течение весьма значительно. По сравнению с
ламинарными потоками турбулентные течения оказывают большие сопротивления при
движении тел, в них иначе происходят процессы теплопереноса и т. д. То же самое можно
сказать о турбулентных потоках с разными уровнями значений турбулентных пульсаций
скорости u', под которыми понимают разности мгновенных значений скорости u и значения
скорости ū, осредненного за некоторый интервал времени, называемого кратко осредненной
скоростью
u' = u - ū
Осредненная скорость может быть найдена по формуле
T
1
u   udt
T0
Время осреднения Т должно быть выбрано достаточно большим так, чтобы
дальнейшее увеличение времени наблюдения практически не сказывалось на величине
осредненной скорости.
а)
б)
Рис.2: а – распределение скоростей по сечению в данный
момент времени; б – зависимость квазимгновенной
скорости от времени в данной точке
На рис. 2,а изображено пространственное изменение скорости в данный момент
времени, а на рис. 2,б - временные изменения скорости в данной точке (кривая 1).
Осредненное значение скорости в обоих случаях нанесено пунктирной линией.
Получить зависимость изменения мгновенных скоростей от времени можно,
применяя, например, термоанемометр [2]. Однако подобные измерения представляют
собой значительные трудности. Поэтому часто вместо мгновенных скоростей для
определения характеристик турбулентного потока ограничиваются измерением так
называемых квазимгновенных скоростей, т.е. скоростей, осредненных за некоторый малый
по сравнению со всем временем осреднения интервал.
График зависимости квазимгновенной скорости от времени характеризуется
ступенчатой линией 2 на рис. 2. Для измерения квазимгновенных скоростей может быть
использована гидрометрическая вертушка.
Турбулентное течение имеет характер случайного процесса, поэтому его описывают
набором статистических характеристик, важнейшей из которых является степень
турбулентности.
Степень турбулентности ε представляет собой отношение среднеквадратичной
пульсационной скорости к осредненной
T

1
u2 dt

T0
u
1
u2 dt

 T
u
Задачи работы
Записать зависимости квазимгновенной скорости в двух точках турбулентного
потока с различным уровнем турбулентности. Построить график зависимости
квазимгновенной скорости от времени и определить степень турбулентности в указанных
точках.
Измерение скоростей производится в потоке, созданном в открытом лотке. Схема
установки приведена на рис. 3. Для измерения скорости в отдельных точках в поток помещается гидрометрическая вертушка, соединенная с самописцем. каждый оборот вертушки
фиксируется на ленте самописца. Самописец снабжен отметчиком времени, позволяющим
установить масштаб времени записи.
Порядок проведения эксперимента и состав измерений
В двух точках турбулентного потока в открытом лотке, резко отличающихся
уровнем турбулентности, с помощью вертушки и самописца сделать запись импульсов,
соответствующих каждому обороту вертушки, в течение 10 - 15 с. Скорость протяжки
бумаги на самописце при этом выбрать так, чтобы можно было отчетливо различить
каждый импульс (каждый оборот вертушки). Записать масштаб времени ВМ.
Обработка результатов измерений и их анализ
На рис. 4 изображен участок ленты с записью. На ленте выбирается участок кривой
1, соответствующий 30 – 50 импульсам (каждый импульс соответствует одному обороту
вертушки). Измеряется длина S, мм, оси абсцисс записи от начала опыта до конца каждого
импульса.
Содержание отчета
Отчет должен содержать таблицу опытных данных и результаты вычисления чисел
Рейнольдса для разных режимов течения, зарисовки структуры ламинарного и
турбулентного потоков.
В работе по определению степени турбулентности должны быть приведены таблицы
опытных данных и их обработка для двух точек в потоке, отличающихся степенью
турбулентности, а также графики зависимостей u=f(t) для этих точек.
Рис. 3. Схема установки
Рис. 4. Участок ленты с записью
Вопросы для самопроверки
1. От каких физических факторов зависит существование ламинарного или
турбулентного режима?
2. Что является критерием, определяющим режим течения?
3. От каких факторов зависят значения кинематического и динамического
коэффициентов вязкости?
4. Что выбирается в качестве характерного линейного размера поперечного сечения
при определении числа Рейнольдса ?
5. Что называется степенью турбулентности потока? Как ее определить в опыте?
6. Как определяется квазимгновенная, осредненная скорости и турбулентная
пульсация скорости?
7. Как должен выбираться интервал времени, в течение которого производится
осреднение скорости?
---------------------ЛИТЕРАТУРА
1. Емцев Б. Т. Техническая гидромеханика. М.: Машиностроение, 1986.
С. 29-32.
2. Пятигорская Е. И. Элементы теории и практики гидромеханического эксперимента. М.:
Моск. энерг. ин-т, 1987. С. 54-65.
----------------------