Движение ламинарное и турбулентное

В природе существуют два режима движения жидкости, в том числе и воды: ламинарное и турбулентное. Ламинарное движение – параллельноструйное. При постоянном расходе воды скорости в каждой точке потока не изменяются во времени ни по величине, ни по направлению. В открытых потоках скорость от дна, где она равна нулю, плавно возрастает до наибольшей величины на поверхности. Движение зависит от вязкости жидкости, и сопротивление движению пропорционально скорости в первой степени. Перемешивание в потоке носит характер молекулярной диффузии. Ламинарный режим характерен для подземных потоков, протекающих в мелкозернистых грунтах.

В речных потоках движение турбулентное. Характерной особенностью турбулентного режима является пульсация скорости, т. е. изменение ее во времени в каждой точке по величине и направлению. Эти колебания скорости в каждой точке совершаются около устойчивых средних значений, которыми обычно и оперируют гидрологи. Наибольшие скорости наблюдаются на поверхности потока. В направлении ко дну они уменьшаются относительно медленно и в непосредственной близости от дна имеют еще достаточно большие значения. Таким образом, в речном потоке скорость у дна практически не равна нулю. В теоретических исследованиях турбулентного потока отмечается наличие у дна очень тонкого пограничного слоя, в котором скорость резко уменьшается до нуля.

Турбулентное движение практически не зависит от вязкости жидкости. Сопротивление движению в турбулентных потоках пропорционально квадрату скорости.

Экспериментально установлено, что переход от ламинарного режима к турбулентному и обратно происходит при определенных соотношениях между скоростью v_ср и глубиной H_ср потока. Это соотношение выражается безразмерным числом Рейнольдса

знаменатель (ν) - коэффициент кинематической вязкости.

Для открытых каналов критические числа Рейнольдса, при которых меняется режим движения, изменяются примерно в пределах 300-1200. Если принять Re = 360 и коэффициент кинематической вязкости = 0,011, то при глубине 10 см критическая скорость (скорость, при которой ламинарное движение переходит в турбулентное) равна 0,40 см/с; при глубине 100 см она снижается до 0,04 см/с. Малыми значениями критической скорости объясняется турбулентный характер движения воды в речных потоках.

Турбулентный характер движения воды в реках обусловливает перемешивание водной массы. Интенсивность перемешивания усиливается с увеличением скорости течения. Явление перемешивания имеет большое гидрологическое значение. Оно способствует выравниванию по живому сечению потока температуры, концентрации взвешенных и растворенных частиц.

Внутренние течения в потоках. Общее течение речного потока вдоль русла при своем движении видоизменяется, в нем создаются внутренние течения. Наиболее вероятными причинами возникновения внутренних течений являются изгибы русла, вращение Земли, подъем и спад уровней, наличие в потоке слоев воды с разной температурой, а также воздействие рельефа дна, ветра, сооружений и др.

На изгибах русла под влиянием центробежной силы образуется поверхностное течение, направленное от выпуклого берега к вогнутому, а у дна, наоборот, – от вогнутого к выпуклому.

В результате вращения Земли в речных руслах возникает сила инерции, направленная к правому берегу, и под действием этой силы создается постоянное поперечное течение. Последнее направлено в поверхностном слое к правому берегу, а в придонном – к левому. Скорости поперечных течений невелики. Взаимодействие продольного течения воды с поперечным также придает потоку винтовой характер, но очень слабый.

При подъемах воды возникают два винтовых течения, идущих от середины вверх, у поверхности – к берегам, а по дну к середине. При спаде воды наблюдаются обратные циркуляционные течения.