Курс лекций по дисциплине «Гидравлические и пневматические системы»

Режимы течения жидкости
Экспериментальные исследования потоков реальной жидкости показывают, что процессы, происходящие в них, существен­но зависят от характера (вида) течения. В гидравлике выделяют ша принципиально разных вида течения: ламинарное и турбулентное.
Для изучения характера этих течений может быть использована установка, представленная на рис. 4.3, а. Она включает в себя ре­зервуар с водой 7, из которого та может вытекать через трубу 5, им полненную из прозрачного материала. В конце трубы установлен кран б для изменения расхода жидкости. Кроме того, в резервуаре г водой 1 смонтирован дополнительный сосуд 2 с водным раствором



Рис. 4.3. Демонстрация режимов течения: а – установка; б - ламинарное течение; в - турбулентное течение; 1- резервуар с водой; 2- дополнительный сосуд; 3,6 – краны; 4- трубка; 5 -труба
краски, которая может подводиться по трубке 4 в центр потока воды в трубе 5. Расход краски может регулироваться краном 3, При небольшой степени открытия крана 6 обеспечиваются низ­кие скорости течения воды в трубе 5. Если в этом случае кран .1 также открыт, то можно наблюдать струйку краски, двигающуюся в потоке воды (рис. 4.3, б). При малых скоростях течения она не перемешивается с основным потоком. Это говорит о том, что со­седние струйки воды движутся также «самостоятельно», не пере­мешиваясь друг с другом. Такой режим течения принято называть ламинарным.
При ламинарном режиме жидкость движется отдельными стру­ями без их перемешивания, все линии тока определяются формой русла потока и, если оно является прямолинейным с постоянным сечением, линии тока параллельны стенкам. В ламинарном потоке отсутствуют видимые вихреобразования, но существуют бесконечно малые (точечные) вихри вокруг мгновенных центров вращения частиц жидкости.
Если постепенно увеличивать степень открытия крана 6, то ско­рость течения жидкости начнет возрастать и при каком-то ее зна­чении ламинарная струйка краски в трубе 5 начнет разрушаться (рис. 4.3, в). Такую скорость принято называть критической (v_Kp). Разрушение струйки сопровождается завихрениями краски и пе­ремешиванием ее с соседними слоями воды. Если продолжать уве­личивать расход жидкости, то струйка будет разрушаться практи­чески сразу после выхода из трубки 4. Такой режим течения при­нято называть турбулентным.

При турбулентном режиме течения происходит интенсивное перемешивание струек (слоев) жидкости с образованием большо­го количества крупных и мелких вихрей. Отдельные частицы жид­кости движутся хаотично, и практически ни одна из них не повто­ряет траекторию другой. Они перемещаются как в продольном, так и в поперечном направлениях. Поэтому скорости и давления при турбулентном течении имеют пульсирующий характер.

Для каждого из отмеченных режимов течения характерны свои особенности и законы (зачастую весьма отличные). Поэтому важно уметь определять расчетным путем режим течения в каждом конкретном случае.
В качестве критерия режима течения используется число Рей­нольдса Re. Результаты экспериментов показывают, что разруше­ние ламинарного режима в круглых трубах начинается приблизи­тельно при Re = 2300. Это значение Re принято называть крити­ческим числом Рейнольдса. Таким образом, при Re < 2300 существует устойчивое ламинарное течение.
Следует иметь в виду, что сразу после разрушения ламинарного течения устойчивого турбулентного течения еще не существует. Устойчивое (развитое) турбулентное течение устанавливается при Rе > 4000. Диапазон чисел Рейнольдса от 2300 до 4000 иногда на­зывают переходной областью, при которой не может существовать ни устойчивого ламинарного, ни развитого турбулентного те­чений.
Необходимо также иметь в виду, что существуют факторы, кос­венно влияющие на режимы течения жидкости в трубах. К ним следует прежде всего отнести вибрацию труб, местные гидравли­ческие сопротивления, пульсацию расхода и др. Все они способ­ствуют образованию турбулентного режима течения жидкости.
В заключение следует отметить, что на практике ламинарные течения наиболее часто встречаются в потоках вязкой жидкости, особенно в трубах (руслах) с небольшими проходными сечениями. Это следует и из анализа формулы (4.5) для вычисления числа Рейнольдса, так как очевидно, что Re уменьшается с увеличени­ем вязкости и уменьшением диаметра. Такие потоки характерны для многочисленных машиностроительных гидросистем, испольующих минеральные и синтетические масла.
Турбулентные течения встречаются в потоках маловязких жид­костей и в трубах с большими проходными сечениями. К ним от­носятся потоки в гидравлических системах для перекачки воды или жидкостей на водяной основе, бензина, керосина, а также потоки различных газов.