Document 487460

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №3
Изучение режимов движения жидкости, определение числа Рейнольдса
Цель работы:
1. Установить опытным путём наличие двух режимов движения жидкости, а также переход одного режима в
другой.
2. Определить число Рейнольдса для каждого режима движения; сравнить его с критическим числом Рейнольдса.
Оборудование и приборы: установка для определения числа Рейнольдса, термометр, мерный сосуд, секундомер
3.1. Теоретическое введение
Возьмём прозрачную трубу, в которой с небольшой скоростью течёт прозрачная жидкость, например, вода. В этот
поток поместим небольшие, существенно меньшие, чем диаметр потока, трубки. В трубках под напором находится
подкрашенная жидкость, например, цветные чернила, которая может из них вытекать, если открыть краны К. Будем
открывать их на короткое время (1-3 секунды) и прекращать подачу чернил через какие-то промежутки времени так,
чтобы можно было проследить движение цветной жидкости. В таком случае в потоке будут возникать разноцветные
струйки, причём цветная жидкость будет явно показывать распределение скоростей (эпюра скоростей) по сечению потока.
V1
К
2
1
Если наблюдать за движением жидкости, то можно ясно видеть, что при перемещении от сечения 1 к сечению 2 картина
распределения скоростей будет оставаться постоянной, а движение жидкости будет слоистым, плавным, все струйки тока
будут параллельны между собой. Такое движение носит название ламинарное (от латинского слова lamina - слой).
Если еще больше увеличить скорость жидкости, то обязательно наступит такой момент, когда характер движения
жидкости радикально изменится. Цветные струйки начнут сначала колебаться, затем размываться и интенсивно
перемешиваться. Течение потока становится неспокойным, с постоянным вихреобразованием. Эпюра распределения
скоростей по сечению потока приблизится к прямоугольной форме, а значения скоростей в разных сечениях потока
станут практически равны средней скорости движения жидкости.
Такое течение жидкости называется турбулентным (от латинского слова turbulentus - возмущённый,
беспорядочный).
Если снова уменьшить скорость течения жидкости, восстановиться ламинарный режим движения. Переход от
К
2
1
одного режима движения к другому будет происходить примерно при одной и той же скорости, которую называют
критической скоростью и обозначают Vкр. Эксперименты показывают, что значение этой скорости
прямо
пропорционально кинематическому коэффициенту вязкости жидкости  и обратно пропорционально диаметру
трубопровода d (для наиболее часто применяемых труб круглого сечения) или гидравлическому радиусу потока R (для
других типов труб и русел).
Vкр  к

,
d
Критерием режима движения жидкости служит безразмерное число Рейнольдса; для напорных труб круглого
сечения число Рейнольдса записывается в виде
Re 
где  – средняя скорость потока, м/с;
d – диаметр трубы, м;

 d

()
2
– кинематическая вязкость жидкости, m / c ;
Число Рейнольдса, определяющее границу перехода ламинарного режима в турбулентный, называют критическим.
Для круглых труб Re êð  2320 .
При Re êð  2320 имеет место устойчивый ламинарный режим движения.
При Re êð  2320 режим движения может оставаться еще ламинарным, но неустойчивым и меняется при малейшем
возмущении, например сотрясении трубы, переходит в турбулентный.
3.2. Схема установки
Экспериментальная установка состоит из напорного бака 3, стеклянной трубы 8 с вентилем 9 на конце,
позволяющим изменять расход воды, протекающей по трубе. На напорном баке 3 помещается бачок 2 с подкрашенной
жидкостью, которая по тонкой трубке 4 с иглой на конце, подается в поток воды. Расход краски регулируется краном 9.
Рис. 1. Схема установки для исследования режимов движения жидкости.
3.3. Порядок выполнения работы
1. Включить насос и наполнить напорный бак до уровня переливной трубы, кран закрыть, дать выдержку времени
1-2 мин для успокоения воды в баке.
2. Открыть вентиль 9 на конце стеклянной трубы 8 (рис.).
3. Открыть (очень немного) кран 5 и ввести тонкую струйку краски в поток воды в стеклянной трубе 8.
4. При малых скоростях воды в трубе вводимая в поток краска не будет перемешиваться с ней, что указывает на
наличие ламинарного режима движения жидкости.
5. Измерить расход воды в стеклянной трубе объёмным способом.
7. Измерить температуру воды в баке с помощью термометра.
8. При большем открытии крана 9 будет наблюдаться устойчивый турбулентный режим, характеризующийся
интенсивным перемешиванием краски с водой. При этом следует повторить измерения расхода и температуры.
9. Закрыть кран 5 бачка с подкрашенной жидкостью.
10. Результаты измерений расхода воды и температуры занести в таблицу 3.
3.4. Обработка результатов измерений
По результатам измерений вычислить:
- объемный расход (Q) жидкости;
- кинематический коэффициент вязкости ( ) по формуле 2.2;
- средние скорости (  ) в трубе для каждого режима движения;
- число Рейнольдса (Re) по формуле 2.6;
Результаты вычислений занести в таблицу 3.
Таблица 3
Экспериментальные и расчётные данные
№
п/п
Опыт
Наименование показателей
1
1
Внутренний диаметры трубы d, м
2
Площадь сечения   d , ì
4
3
Ёмкость мерного сосуда V, м
2
2
3
2
4
Время наполнения мерного сосуда t, с.
5
Расход воды Q  V , м 3 / с
6
Средние скорости   Q , м / с

7
Температура воды, t C
8
Коэффициент кинематической вязкости  , м
9
Число Рейнольдса Re    d

10
Режим движения жидкости
t
0
2
/с
Используя экспериментальные и расчётные данные, сделать вывод о зависимости режима движения жидкости от
числа Рейнольдса.
3.5. Контрольные вопросы
1. Какие существуют режимы движения жидкости? Поясните их особенности и отличия.
2. По какому критерию можно судить о существовании данного режима движения жидкости? Можно ли заранее
прогнозировать режим движения жидкости?
3. Запишите формулу числа Рейнольдса и сделайте её анализ.