Опыты Рейнольдса

При некотором большем открытии крана К окрашенная струйка начинает искривляться и становится волнообразной. Это может происходить только в результате изменений во времени (пульсации) векторов местных скоростей в потоке.

При дальнейшем увеличении скорости потока в трубе струйка распадается на отдельные хорошо видные вихри, происходит перемешивание окрашенной струйки со всей ассой текущей жидкости (рис. 6.2, б).

Движение жидкости, при котором отсутствуют измене­ния (пульсации) местных скоростей, приводящие к пере­мешиванию жидкости, называют ламинарным (от ла­тинского слова lamina — слой).

Движение жидкости, при котором происходят изменения пульсации) местных скоростей, приводящие к перемешиванию жидкости, называют турбулентным (от латинского слова turbulentus — беспорядочный).

Применяются также термины ламинарный режим движения, турбулентный режим движения.

При постепенном закрывании крана явление повторяется в обратном порядке. Однако переход от турбулентного режима к ламинарному происходит при скорости, меньшей той, при которой наблюдается переход от ламинарного движения к турбулентному. Скорость потока, при которой происходит смена режима движения жидкости, называется критической. Рейнольдсом было обнаружено существование двух критических скоростей: одной — при переходе ламинарного режима движения в турбулентный режим, она называется верхней критической скоростью υ_в.кр, другой — при переходе турбулентного режима движения в ламинарный режим, она называется нижней критической скоростью υ_н.кр. Опытным путем доказано, что значение верхней критической скорости зависит от внешних условий опыта: постоянства температуры, уровня вибрации установки и т. д. Нижняя критическая скорость в широком диапазоне изменения внешних условий остается практически неизменной. В опытах было показано, что нижняя критическая скорость для потока в цилиндрической трубе круглого сечения пропорциональна кинематической вязкости n и обратно пропорциональна диаметру трубы d:

Коэффициент пропорциональности k оказался одина­ковым для различных n и d:

В честь Рейнольдса этот коэффициент был назван критическим числом Рейнольдса и обозначен Re_кр.

Число Re_d в дальнейшем будем обозначать Re без индекса.

В расчетах обычно принимают для цилиндрических круглых труб Re_кр=2320.

На конфузорных (сужающихся) участках труб значе­ние Re_кр >2320, а на расширяющихся участках (диффу­зор Re_кр < 2320. Для открытых русл

В опытах Рейнольдса было обнаружено, что переход ламинарного движения в турбулентное происходит не мгно­венно и не одновременно по всей длине трубы. В природе и технике турбулентное движение жидкости наблюдается чаще, чем ламинарное. Области ламинарного движения—движение вязких жидкостей типа масел по трубам и в механизмах, движение грунтовых вод (но оно может также быть и турбулентным), движение в капилля­рах (в том числе и движение крови в живых организмах).