Режимы движения жидкости

Тема 4

Различные режимы движения жидкости можно проследить, вводя в движущийся поток подкрашенную жидкость. Если скорость невелика, то подкрашенная струйка движется, не смешиваясь с основным потоком. Это свидетельствует о том, что пути частиц прямолинейны и параллельны друг другу. Такой режим называется ламинарным или струйным.

При увеличении скорости подкрашенная струйка сначала приобретает волновое движение, затем начинает размываться. Этот режим движения назвали переходным.

С дальнейшим ростом скорости подкрашенные частицы жидкости полностью перемешиваются в поперечном направлении. Режим, при котором отдельные частицы жидкости движутся по хаотичным траекториям, и весь поток в целом перемещается в одном направлении, называется турбулентным режимом. При таком режиме имеют место пульсации скоростей, под действием которых частицы жидкости, движущиеся в осевом направлении, получают также поперечные перемещения, приводящие к интенсивному перемешиванию.

Опыт показал, что турбулентность усиливается с ростом массовой скорости и понижением вязкости.

Англичанин Рейнольдс в 1883 г. установил, что указанные величины можно объединить в единый комплекс, значение которого позволяет судить о режиме движения жидкости. Этот комплекс был назван критерием Рейнольдса и имеет вид уравнения 4.1 [2]:

Re = . (4.1)

Если критерий Re £ 2300, то режим движения ламинарный,

если 2300 < Re £ 10000 – переходный,

и при числе Re > 10000 режим движения турбулентный.

Распределение скоростей по сечению трубопровода при ламинарном режиме имеет параболический характер (рис. 4.1) и описывается законом Стокса (уравнение 4.2).

V_r = V_max (1- ). (4.2)

Максимальная скорость движения имеет место по оси трубопровода
(рис. 4.1 а):

б)

а)

Рис. 4.1 – Распределение скоростей в ламинарном потоке

Если распределение скоростей построить через среднюю скорость движения слоев жидкости через сечение трубопровода, то схема будет иметь вид рис.4.1, б. Для ламинарного режима V _ср = 0,5 V_max.

При турбулентном режиме характер распределения скоростей по сечению трубопровода изображается усеченной параболой (рис. 4.2).

Рис. 4.2 – Профиль скоростей в турбулентном потоке

Средняя скорость по сечению трубопровода равна:

V_ср = 0,8 V_max, если Re ³ 10⁴;

V_ср = 0,9 V_max, если Re ³ 10⁸.

В расчете принимают V_ср = 0,85 V_max.

Для турбулентного потока условно различают ядро потока и пристеночный пограничный слой с ламинарным режимом движения, или еще его называют вязким подслоем, где влияние вязкости преобладает над турбулентными пульсациями частиц жидкости, турбулентное движение всегда сопровождается ламинарным.

Толщина пристеночного слоя соизмерима с шероховатостью труб, и если толщина этого слоя больше шероховатости, то труба считается гидравлически гладкой, если меньше, то в расчетах учитывается шероховатость.
В зависимости от этого турбулентный режим разделяется на три зоны [5].

Если 10⁴< Re < 27/ e ^1,143,

где e = ;

D – шероховатость, мм;

d – диаметр трубопровода, мм,

то в этом случае имеем турбулентную зону для «гидравлически гладких труб».

Если < Re < , то зона называется зоной «смешанного трения».

Если Re > , то движение жидкости происходит в зоне «квадратичного трения».

В двух последних случаях в гидравлических расчетах учитывают шероховатость труб.

При транспортировке маловязких нефтей определение переходных чисел для критерия Re упрощается и условия существования различных зон трения представлены следующим образом [6]:

гидравлические гладкие трубы