Лабораторна робота № 1.
1. ТЕМА: Визначення режиму руху рідини.
2. МЕТА: Провести візуальне спостереження за характером течії рідини і переходом її з одного режиму в інший. Визначити критичні значення числа Рейнольдса (Rе). Знайти залежність між втратою тиску на тертя і середньою швидкістю.
3. ТЕОРЕТИЧНА ЧАСТИНА
При розрахунку технологічних процесів, зв'язаних з рухом газів і рідин, необхідно врахувати характер руху потоку. На прикладі рідини, яка рухається по трубопроводі, можна встановити існування двох режимів руху - ламінарного і турбулентного. Як правило, при малих швидкостях (і малих діаметрах трубопроводу) елементарні струминки рідини рухаються паралельно, ніби ковзають одна по іншій, не змішуючись. Такий рух називається ламінарним або шаровим (в'язким).
При високих швидкостях спостерігається поперечне перемішування струминок рідини за рахунок утворення вихорів. Такий вид руху називається турбулентним.
Для потоку, який встановився, при ламінарному русі швидкість постійна в кожній точці рідини, а при турбулентному русі - коливається біля деякого середнього значення (за рахунок пульсування, тобто зміни свого значення і напрямку в часі). Розподіл швидкостей по поперечному перерізі трубопроводу при ламінарному русі зображається параболою, причому середня швидкість потоку становить 0,5 від максимальної (по осі потоку). При турбулентному русі зміна швидкостей в цих же умовах йде по більш похилій кривій і середня швидкість становить 0,8-0,9 від максимальної.
Характер руху рідини залежить не тільки від середньої швидкості потоку (w, м/с), але і від геометричних розмірів потоку (еквівалентного діаметру трубопроводу, de, м), в'язкості (, Па•с; , м/с) і густини (, кг/м3) рідини (газу). Вплив перерахованих фізичних параметрів потоку на характер руху визначається значенням критеію (числа) Рейнольдса:
Критерій Рейнольдса показує співвідношення сил інерції, які характеризуються швидкістю потоку і його розмірами, і сил внутрішнього тертя, які характеризуються в'язкістю потоку. Звідси випливає, що турбулентний рух властивий потокам, які володіють великими силами інерції, а ламінарний - характерний для потоків, в яких сили внутрішнього тертя переважають над силами інерції.
Встановлено, що для ламінарного режиму, чисельне значення критерію Рейнольдса завжди менше, а для турбулентного режиму, завжди більше деякого визначеного критичного значення. Наприклад, для прямих труб критичне значення критерію Рейнольдса Rекр = 2300.
Необхідно відмітити, що приведене критичне значення є в певній мірі відносним, так як важко знайти різкий перехід від ламінарного до турбулентного. В дійсності спостерігається так звана перехідна область зникнення ламінарного режиму і встановлення турбулентного стану потоку. Чисельне значення критерію Рейнольдса для перехідної області знаходиться в межах 230010000. При Rекр > 10000 режим потоку стає стійким турбулентним.
Для змійовиків значення Rекр підвищується в залежності від відношення діаметра d труби до діаметра D змійовика (d/D) і може досягати 70008000.
При русі газів з дуже великою швидкістю може виникнути інерційний режим (при Rекр >300000). Для такого режиму характерним є постійне значення коефіцієнта тертя T.
Існування різних режимів руху і закономірність переходу з одного в інший можна спостерігати, якщо змінювати розхід рідини в прозорій горизонтальній трубі і по її осі вводити тонку струминку зафарбованої рідини.
При транспортуванні рідких середовищ в хімічній технології одним із важливих завдань є визначення втрат тиску в трубопроводах і апаратах, що викликаються в'язкісним тертям. Втрати тиску в круглих трубах розраховуються згідно формули Дарсі-Вейсбаха
Комплекс величин •I/d показує, у скільки раз втрати тиску на тертя відрізняються від втрат динамічного тиску.
Гідравлічний опір на тертя залежить від режиму руху рідини. Для ламінарного руху рідини в трубах справедлива залежність
В цих умовах величина коефіцієнта тертя обернено пропорційна числу Рейнольдса і не залежить від шершавості стінок. При русі рідини в трубах не круглого перерізу (квадратних, кільцевих і ін.) коефіцієнт у останній формулі має інші значення, а число Rе вираховується по еквівалентному діаметрі в каналі.
В перехідному і турбулентному режимах руху залежить не тільки від числа Rе, але і від шершавості стінок. Для визначення в цих умовах запропоновано велике число напівемпіричних і емпіричних формул. Для Rе =100004-100000 і гладких труб широке використання отримала формула Блазіуса яка відповідає степеневому розподіленню профілю швидкості
В перехідному режимі коефіцієнт тертя А. знаходиться із графічної залежності, приведеній в спеціальній літературі.
4. ОПИС УСТАНОВКИ І ПОРЯДОК ПРОВЕДЕННЯ РОБОТИ
Основними вузлами лабораторної установки (рис. 1) є дві скляні трубки 8, в яких досліджується режим руху, напірний бак 6, дифманометри 7 для вимірювання втрат тиску, бачок з барвником 4, мірна ємність 10, вентилі 9 і крани 5.
Вода із водопровідної сітки через вентиль 1 подається в напірний бак 6, в якому, дякуючи наявності зливного штуцера 2, підтримується постійний рівень. Із напірного бака вода по скляних трубах 8 (dвн = 7 мм і dвн = 12 мм) поступає у мірний циліндр 10, який знаходиться в приймальному баці 11. Розхід води через трубки регулюється кінцевими голчастими вентилями 9. Для візуального спостереження структури потоку в трубах 8, із бачка 4 при допомозі капілярних трубок тонким струменем вводиться розведений барвник. Розхід барвника регулюється краном 5. Температура води вимірюється термометром 3.
Рис. 1. Схема установки для визначення режимів руху рідини
і опору тертя.
1,9- вентилі; 2 - зливний штуцер; 3 - термометр; 4 – бачок
для барвника; 5 - кран; 6 - напірний бак; 7 - дифманометр;
8 - скляні трубки; 10 - мірна ємність; 11 - приймальний бак.
Роботу проводять наступним чином.
1. Відкривають водопровідний вентиль 1 і наповнюють напірний бак 6 до рівня зливного штуцера 2.
2. Відкривають кінцевий вентиль 9, добиваючись