Описание экспериментальной установки и порядок проведения опыта

Существование ламинарного и турбулентного режимов движения можно проиллюстрировать опытом (вошедшим в историю как классический опыт Рейнольдса) на лабораторной установке (рис.4.1).

Рис. 4.1. Установка дляизучения режимов движения жидкости

 

Для визуального наблюдения режимов течения в стеклянной трубе 1, по которой движется вода, в основной поток вводится подкрашенная струйка жидкости из сосуда 3. В качестве подкрашеннойжидкости используется слабый раствор марганца (нигрозина), подбирая его плотность приблизительно равной плотности воды во избежание гравитационного перемешивания.

Установившееся движение осуществляется поддержанием в сосуде 2 постоянного напора путем излива лишней воды. Скорость течения воды в трубе регулируется краном 4. Подкрашенная жидкость вытекает по капиллярной трубке и вводится в основной поток через иглу. Подача подкрашенной жидкости регулируется таким образом, чтобы скорости цветной струйки и воды в трубе были примерно одинаковыми.

При очень малых скоростях течения цветная струйка на всем протяжении трубы 1 не перемешивается с основным потоком. Плавным увеличением скорости от нуля до максимального значения можно уловить момент, когда подкрашенная струйка размывается и жидкость по всему сечению трубы оказывается окрашенной. Это и есть переход от ламинарного режима к турбулентному.

Опыт О.Рейнольдса является классическим примером диалектического закона перехода количества в качество. Здесь количественные изменения скорости (увеличение или уменьшение) приводят в новое качество движение (смена ламинарного режима турбулентным или турбулентного ламинарным).

Установка Рейнольдса может быть использована не только для визуального наблюдения режимов движения, но и для определения количественных зависимостей. Разность показаний пьезометров, установленных в начале и конце стеклянной трубы, определяет потерю напора на рассматриваемом участке.

Для качественной оценки режимов движения жидкости необходимо провести замеры пьезометрических напоров P₁/(rg), P₂/(rg) по пьезометрам, установленным в начале и конце стеклянного трубопровода, объем протекающей жидкости W за время t с визуальным фиксированием состояния подкрашенной струйки. Измерить температуру воды в опыте для расчета кинематическойвязкости воды. Данные измерений занести в табл. 4.1.

 

 

Таблица.4.1.

 

d=…cм, tводы =…^0 С, nводы=…см^2/сек
Опытные данные	Расчетные данные
№	W	t	h1	h2	Режим	Q	V	hl	lgV	lghl	Rе=
п/п	см^3	сек	см	см	течения	cм^3/сек	см/сек	см	-	-	-
					наблюдаемый
1	2	3	4	5	6	7	8	9	10	11	12
1
2
…
8

 

Изменяя расход в трубопроводе, а следовательно, и скорость движения жидкости V, можно найти зависимость h_l = f(V). Если на логарифмической сетке (рис. 4.2) по оси абсцисс отложить значения lgV, а по оси ординат - соответствующие значения lgh_l, то, соединив опытные точки, получим две прямые линии аb и cd. Линия аb соответствует ламинарному режиму, а cd - турбулентному. Точка пересечения прямых е определяет критическую скорость течения жидкости в круглой трубе V_кр, что дает возможность определить критическое число Рейнольдса Re_кр.оп:

 

 

(4.2)

 

Рис. 4.2. ●- ламинарный, ▲- турбулентный режимы