5.4. Режимы движения жидкости. Критерий рейнольдса

Гидравлические потери существенным образом зависят от того, как организовано движение жидкости в потоке, т.е. от режима движения жидкости.

Из физики известно, что существует два режима движения жидкости: ламинарный и турбулентный. Эти термины в науку ввел Д.И. Менделеев.

Слово «ламинарный» - от латинского «ламина», что означает «слой», т.е. ламинарный режим это слоистое течение без перемешивания частиц и пульсации скорости.

Слово «турбулентный» - от латинского «турбулус», означает беспорядочный, хаотичный, т.е. турбулентный режим движения жидкости сопровождается интенсивным перемешиванием жидкости, пульсациями скоростей и давлений.

Более полно режимы движения жидкости исследованы английским физиком Осборном Рейнольдсом.

Визуальное наблюдение за режимами движения жидкости и их количественная оценка были выполнены на установке (рис.5.3), представляющей собой резервуар 1, из которого жидкость по прозрачной трубе 2 с краном может вытекать в мерное устройство 3. над резервуаром помещен сосуд 4 с подкрашенной жидкостью, для подачи последней по капилляру в прозрачную трубу.

Рис.5.3

Рейнольдс установил факторы, влияющие на режим движения жидкости: скорость, диаметр трубки, плотность и вязкость жидкости, на основании чего ему удалось определить критерий (критерий Рейнольдса), по которому можно судить о режиме движения жидкости:

или . (5.10)

Рис.5.4

Возьмем ось чисел Рейнольдса (рис.5.4) и повторим его опыты сначала в сторону увеличения этих чисел, одновременно визуально наблюдая за режимами движения жидкости. При достижении так называемого верхнего критического числа режим ламинарный прейдет в турбулентный. В зависимости от условий эксперимента это число может лежать в довольно больших пределах: от 4·10³ до (40…50)·10³. После этого числа режим становится турбулентным устойчивым.

Затем повторим опыт в сторону уменьшения чисел Рейнольдса. В этом случае турбулентный режим перейдет в ламинарный при достижении так называемого нижнего критического числа . Оно окажется равным 2320. Ниже этого числа режим всегда будет ламинарный устойчивый. Нижнее критическое число принимают вообще за критическое число.в гидравлических расчетах при получении Re < 2320 режим считают ламинарным, при Re > 2320 - турбулентным.

Физический смысл этого критерия заключается в том, что он показывает отношение сил инерции к силам трения.

Этот критерий является критерием гидродинамического подобия, о чем более подробно будет изложено ниже.

Число Рейнольдса может быть подсчитано для потоков любого геометрического сечения, в том числе для круглого по гидравлическому радиусу, или по другому характерному размеру, например, по зазору в сопрягаемых деталях.