Фрагмент № 9Г РЕЖИМЫ ТЕЧЕНИЯ ЖИДКОСТИ

Для того чтобы с достаточной точностью определить потери напора в гидравлической сети (см. Фрагменты №№ 7Г и 8Г), необходимо установить в каком режиме течёт жидкость.

Исследуя течение капельных жидкостей в трубах, английский ученый Рейнольдс (1883 г.) обнаружил существование двух различных режимов ее течения: ламинарного  и турбулентного.

При ламинарном режиме течение устойчивое, струйки потока движутся, не смешиваясь, нет пульсации скоростей и давлений. Турбулентный режим характеризуется беспорядочным перемещением конечных масс жидкости, сильно перемешивающихся между собой, наблюдаются пульсации скоростей и давлений. Ламинарные потоки возникают в условиях медленного течения и в вязких жидкостях, турбулентные потоки возникают при высоких скоростях движения жидкости и малой вязкости.

Режим течения данной жидкости в данной трубе изменяется примерно при определённой средней скорости течения V_кр (критическая скорость). Как показали опыты V_кр = Кν/d (ν – кинематическая вязкость; d – диаметр трубы). Входящий в эту формулу безразмерный коэффициент пропорциональности К одинаков для всех жидкостей, а также для любых диаметров труб. Это означает, что изменение режима течения происходит при определённом соотношении между скоростью, диаметром и вязкостью: К = V_кр· d/ν.

Полученное безразмерное число называется критическим числом Рейнольдса:

Re_кр = V_кр· d/ν

Как показывают опыты, для труб круглого сечения Re_кр ≈ 2320. Таким образом, число Рейнольдса (критерий подобия Рейнольдса) Re позволяет судить о режиме течения жидкости в трубе. Так для труб круглого сечения, при Re < 2320 режим течения ламинарный, а при Re > 2320 режим течения турбулентный. Необходимо отметить, что приведенное критическое значение является в известной степени условным, так как трудно обнаружить резкий переход от ламинарного режима к турбулентному. В действительности обычно наблюдается так называемая «переходная» область исчезновения ламинарного режима и установления турбулентного состояния потока. Но в практических расчётах критическое число 2320 является вполне применимым.

В настоящее время не существует строгого научно доказанного объяснения явлению смены режимов течения. Одной из основных гипотез считается следующая: смена режимов движения жидкости определяется отношением сил инерции к силам вязкости в потоке жидкости. Если преобладают первые, то режим движения турбулентный, если вторые — ламинарный.

То есть число Рейнольдса показывает соотношение сил инерции, характеризующихся скоростью потока и его размерами, и сил внутреннего трения, характеризующихся вязкостью жидкости. Отсюда следует, что турбулентное течение свойственно потокам, обладающим развитыми силами инерции, а ламинарное течение характерно для потоков, в которых силы внутреннего трения преобладает над силами инерции.

На практике в системах водоснабжения чаще встречается турбулентный режим течения даже при малых скоростях движения  жидкости. Это обусловлено тем, что вязкость воды сравнительно невелика.  К тому же вязкость воды достаточно существенно уменьшается с повышением её температуры. Так, если воду нагреть от 20^оС до 50^оС её вязкость уменьшается примерно в два раза.