ОПРЕДЕЛЕНИЕ РЕЖИМА ТЕЧЕНИЯ ЖИДКОСТИ

ВВЕДЕНИЕ

При расчетах технологических процессов, связанных с движением газов и жидкостей, необходимо учитывать характер движения потока.

На примере жидкости, пропускаемой по трубопроводу, можно установить существование двух режимов течения – ламинарного и турбулентного. Обычно при малых скоростях (и малых диаметрах трубопровода) элементарные струйки жидкости движутся параллельно, как бы скользя друг по другу, не перемешиваясь. Такое течение называют ламинарным или слоистым (вязким).

При больших скоростях наблюдается поперечное перемешивание струек жидкости за счет образования вихрей. Это – турбулентный вид течения.

Для установившегося потока при ламинарном течении скорость постоянна в каждой точке жидкости, а при турбулентном течении – колеблется около некоторого среднего значения (за счет пульсации, т.е. изменения своего значения и направления во времени). Распределение скоростей по поперечному сечению трубопровода при ламинарном течении происходит по параболе, причем средняя скорость потока составляет 0, 5 от максимальной (по оси потока). При турбулентном течении изменение скоростей в этих же условиях идет по более пологой кривой, и средняя скорость составляет 0, 8–0, 9 от максимальной.

Характер движения жидкости (газа) зависит, как показали опыты, не только от средней скорости потока (w, м/с), но и от геометрических размеров потока (эквивалентного диаметра трубопровода, d_э, м), вязкости (m, Па× с; n, м²/с) и плотности (r, кг/м³) жидкости (газа). Влияние перечисленных физических параметров потока на характер движения определяется значением критерия (числа) Рейнольдса:

(1.1)

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

Установлено, что для ламинарного режима численное значениекритерия Рейнольдса всегда меньше, а для турбулентного режима – всегда больше некоторого определенного критического значения. Например, для прямых труб критическое значение критерия Рейнольдса Re_кр = 2300.

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. Численные значения критерия Рейнольдса для переходной области находятся в пределах 2300 ¸ 10000. При Re > 10000 режим потока становится развитым (устойчивым) турбулентным.

Для змеевиков значение Re_КР повышается в зависимости от отношения диаметра d трубы к диаметру D змеевика (d/D) и может достигать 7000¸ 8000.

При движении газов с очень большой скоростью может возникнуть инерционный режим (при Re> 300000). Для такого режима характерно постоянство коэффициента трения.

Цель работы – изучение изменений, происходящих в потоке приразличных режимах течения.

ОПИСАНИЕ УСТАНОВКИ

Схема лабораторной установки представлена на рис.1.1. Вода из расходной емкости 1 поступает в стеклянную трубку 2 и через регулировочный вентиль 3 сливается либо в канализацию, либо в мерную емкость 4.

Из сосуда 5 с краской по тонкой трубке 6 через вентиль 7 подкрашенная струйка воды поступает в трубу 2. Температуру воды для нахождения ее вязкости и плотности определяют по термометру 8.

Для успешного проведения опытов важными условиями являются стабилизация потока в стеклянной трубе 2 и согласование истечения краски со скоростью самого потока. В этих целях приняты следующие меры.

Стабильность потока в стеклянной трубе 2 обеспечивается постоянным напором Н в емкости 1. Емкость 1 представляет собой закрытый резервуар, из которого жидкость вытекает по трубе 2. Трубка 9 вверху открыта в атмосферу. При движении жидкости по трубе 2 из емкости I в ее верхней части образуется вакуум. При этом по трубке 9 засасывается атмосферный воздух. В следствии этого в емкости на уровне Н над трубой 2 давление всегда будет равно атмосферному, независимо от количества жидкости в емкости, и истечение жидкости будет происходить под постоянным напором до тех пор, пока уровень ее не опустится ниже Н.

Рис. 1.1. Схема лабораторной установки для определения режима течения жидкости:

1 – расходная емкость; 2 – труба; 3, 7, 11 – вентили; 4 – мерная емкость; 5 – сосуд с краской;

6 – тонкая трубка; 8 – термометр; 9 – трубка; 10 – метка необходимого уровня жидкости

Для согласования скорости истечения краски со скоростью воды в стеклянной трубе 2 сосуд 5 с краской перемещается по вертикали и закрепляется на нужной высоте для создания необходимого напора при истечении краски. Расход краски регулируется зажимом 7.

МЕТОДИКА ПРОВЕДЕНИЯ РАБОТЫ

Работу начинают с установления ламинарного режима и, увеличивая постепенно скорость движения воды в стеклянной трубе, наблюдают за изменениями, происходящими с подкрашенной струйкой при разных режимах течения.

После наглядного изучения поведения подкрашенной струйки приступают к измерению величин, необходимых для определения числа Рейнольдса, начиная с ламинарного режима и кончая турбулентным.

Перед началом работы проверяют наличие воды в емкости 1. Если уровень воды в емкости ниже метки 10, то открывают вентиль 11 и заполняют емкость до метки. При достижении необходимого уровня закрывают вентиль 11. Затем понемногу открывают вентиль 3, устанавливая минимальный расход воды.

В первой части работы для пуска подкрашенной струйки постепенно открывают зажим 7. Регулируя степень открытия вентиля 3 и зажима 7, добиваются четкого очертания подкрашенной струйки. Наличие резко выделяющейся, четкого очертания подкрашенной струйки указывает на наступление ламинарного режима.

Увеличивая затем степень открытия вентиля 3, повышают тем самым скорость воды в стеклянной трубе 2, вследствие чего ламинарный режим начинает нарушаться и переходит в турбулентный.

При этом надо регулировать открытие зажима 7, а также, в случае необходимости, вентиля 11, не позволяя уровню воды в емкости 1 опускаться ниже уровня Н.

Во второй части работы проводят замеры, необходимые для определения числа Рейнольдса при разных режимах течения. Настраивают установку на ламинарный режим (как указано выше) и приступают к определению расхода воды, фиксируя время заполнения мерной емкости. Увеличив степень открытия вентиля 3 и отрегулировав, если нужно, открытие вентиля 11 и зажима 7, приступают к новому измерению расхода воды. Таких замеров проводят несколько (5–6), заканчивая их при развитом турбулентной движении. При этом записывают также показания термометра.

После проведения всех измерений приступают к обработке полученных результатов.

ОБРАБОТКА ОПЫТНЫХ ДАННЫХ

И СОСТАВЛЕНИЕ ОТЧЕТА

Определяет среднюю скорость движения воды в стеклянной трубе:

, (1.2)

где V – расход воды, м³/с; d – внутренний диаметр стеклянной трубы, м (d = 0, 001 м).

Рассчитывают число Рейнольдса по уравнению (1.1).

Результаты наблюдений, опытные и расчетные данные заносят в отчетную таблицу 1.1.

Таблица 1.1

Отчетная таблица

№ опыта	Расход V, м/с	Температура, ⁰С	Вязкость m ´ 10³, Па× с	Плотность r, кг/м³	Скорость w, м/с	Критерий Re	Режим движения

Отчет должен также содержать задание и схему установки со спецификацией.

Плотность и вязкость воды при температуре опыта принимаются по справочным данным табл. 1.2 и 1.3.

Таблица 1.2

Плотность воды

Температура, ⁰С	Плотность r, кг/м³	Температура, ⁰С	Плотность r, кг/м³
	999, 6		995, 7
	999, 7		992, 2
	998, 2		988, 1

Таблица 1.3

Динамическая вязкость воды

Температура, ⁰С	Вязкость m ´ 10³, Па× с	Температура, ⁰С	Вязкость m ´ 10³, Па× с	Температура, ⁰С	Вязкость m ´ 10³, Па× с
	1, 519		1, 171		0, 936
	1, 473		1, 140		0, 914
	1, 428		1, 111		0, 894
	1, 386		1, 083		0, 874
	1, 346		1, 056		0, 855
	1, 308		1, 030		0, 836
	1, 271		1, 005		0, 818
	1, 236		0, 981		0, 801
	1, 203		0, 958		0, 784

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1. Назовите основные режимы течения потоков.

2. Как определить среднюю скорость потока, движущегося ламинарно?

3. Какие величины характеризуют режим течения потока?

4. Каково соотношение между средней к максимальной скоростями потока при турбулентном течении?

5. Что такое критерий Рейнольдса? Каков его физический смысл?

6. Назовите критическое значение числа Рейнольдса для прямых труб, для змеевиков.

7. При каком значении числа Рейнольдса наблюдают развитый турбулентный режим потока?

8. Какая скорость потока входит в критерий Рейнольдса?

9. В каком интервале чисел Рейнольдса наблюдают переходную область режима течения?

ЛИТЕРАТУРА

1. А.Г. Касаткин «Основные процессы и аппараты химической технологии», - М.: Химия, 1973, - 750 с.

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 2

Предыдущая 123 4 5 6 7 8 9 10 11 12 Следующая