Определение режима течения жидкости

Цель работы: Изучение изменений, проходящих в потоке при различных режимах течения.

Теоретическая часть

Большинство процессов химической технологии связаны с движением газа или жидкости, причем характер этого движения существенно сказывается на ходе процесса. При расчете таких процессов необходимо учитывать характер движения потоков, жидкости или газа.

Исследуя течение капельных жидкостей в трубах, английский ученый Рейнольдс (1883 г.) обнаружил существование двух различных режимов ее течения.

Обычно при малых скоростях и малых диаметрах трубопровода, элементарные струйки жидкости движутся параллельно, как бы скользя друг по другу, не перемешиваясь. Такое течение называют вязким или ламинарным. Распределение скоростей поперечному сочетанию трубопровода при ламинарном течении происходит по параболе, причем средняя скорость потока составляет 0,5 от максимальной

w_ср= 0,5 w _max (2.1)

 

При больших скоростях наблюдается поперечное перемешивание струек жидкости за счет образованных вихрей и движение частиц жидкости хаотическое, этот вид течения называется турбулентным. При таких скоростях характер течения различен поперечному сечению потока. У стенки течет тонкий ламинарный слой толщиной d. В центральной части потока находится сфера вихревого движения с радикальным перемешиванием. Ламинарный слой отделяется от вихревого так называемым буферным слоем. Распределение скоростей при этом режиме пологой кривой и средняя скорость потока составляет 0,8 - 0,9 от максимальной.

w_ср = (0,8 ¸ 0,9) w_max (2.2)

Характер движения жидкости (газа) зависит, как показали опыты, не только от скорости потока, но и от геометрических размеров потока, вязкости и плотности жидкости (газа). Влияние перечисленных физических параметров потока на характер движения определяется величиной безразмерного комплекса- критерия, названного в честь ученого, открывшего это явление, числом Рейнольдса:

(2.3)

где: w – средняя скорость потока, м/с;

d_э – эквивалентный диаметр трубопровода, м;

r – плотность жидкости (газа), кг/ м³;

-динамический коэффициент вязкости, Па ^. с;

n = - кинематический коэффициент вязкости, м²/с.

Число 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 течение характерно для потоков, в которых силы внутреннего течения преобладает над силами инерции. Установлено, что для ламинарного режима численное значение числа Рейнольдса всегда меньше некоторого определенного «критического» значения, для прямых труб критическое значение 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 числа Рейнольдса для потоков, проходящих по прямым трубам, характерны следующие значения числа Рейнольдса:

Ламинарное течение - Re < 2300

Переходная область - 2300 £ Re £ 10000

Развитое турбулентное течение - Re ³ 10000

Для потоков, проходящих по изогнутым трубам (змеевикам), критическое значение Re_кр выше, чем в прямых трубах, и зависит от отношения диаметра трубы d змеевика к диаметру D витков змеевика ( d /D) / 1, стр. 18/.

При движении жидкости через сечение любой формы, отличной от круглой, в качестве расчетного линейного размера принимают гидравлический радиус или эквивалентный диаметр.

Под гидравлическим радиусом r_г понимают отношение площади затопленного сечения потока к смоченному периметру:

(2.4)

Для круглой трубы с внутренним диаметром d и, значит, площадью свободного сечения S = πd² / 4 при сплошном заполнении его жидкостью П = π d, откуда гидравлический радиус:

r_r = (2.4 а)

Следовательно, для потоков некруглого сечения вместо диаметра можно применить эквивалентный диаметр:

d _э = = 4r_u = d (2.5)

Для круглой трубы: d_э = d_вн.

Для канала прямоугольного сечения со сторонами полностью заполненного жидкостью, гидравлический радиус:

r_г = (2.6)

а эквивалентный диаметр:

d _э = 4r_г = r_г = (2.6а)

 

Описание установки

Схема установки приведена на рис 2.1. Воду из городского водопровода подают в бак 1 по трубе 3, регулируя подачу вентилем 4. Для предупреждения переполнения бака установлена переливная труба 5. Для слива воды из бака установлена воронка 6 на трубе (линия канализации).

Во время работы установки вода из бака 1 по питательной трубе 10 через вентиль 11 поступает в расходный бак 12. Излишек воды через трубу сливается в канализацию. Из расходного бака 12 вода по стеклянной трубе 14 поступает в буферный бак 15 и сливается из него через регулировочный вентиль 16 и ротаметр 12 в канализацию. Из бака с краской 18 через кран 19 по тонкой трубе 20 подкрашенная струйка воды поступает в стеклянную трубу 14.

По окончании работы для опорожнения баков 15 и 12 пользуется соответственно вентилями 21 и 22.

Для успешного проведения опытов весьма важными условиями являются стабилизация потока в стеклянной трубе 14 и согласование скоростей истечения краски со скоростью самого потока. В этих целях приняты следующие меры. Так как в городском водопроводе наблюдается временами колебания напора и пульсаций потока, то воду из водопровода подают сначала в запасный бак 1 достаточно большой вместимости. Затем вода поступает в расходный бак 12 по питательный трубе 10. Постоянный уровень воды в баке 12 поддерживается с помощью переливной трубы 13. Для согласования скорости истечения краски со скоростью воды в стеклянной трубе 14 бак с краской 18 закреплен на наружной высоте для создания необходимого напора при истечении краски. Расход краски регулируется краном 19.

 

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.

Перед началом работы проверяют наличие воды в баке 1 по водомерному стеклу 2. Если вода в баке меньше половины, то открывают вентиль 4 и заполняют бак, следя за уровнем воды в водомерном стекле 2. Затем заполняют баки 10 и 15, открывая вентиль 11. Затем понемногу открывают вентиль 16, устанавливая по ротаметру 17 минимальный расход воды.

 

Рис.2.1. Схема экспериментальной установки.

 

В первой части работы для пуска подкрашенной струйки постепенно открывают кран 19, регулируя степень открытия вентилей 11 и 16 и крана 1, Добиваются четкого очертания подкрашенной струйки, хорошо видимой на освещенном фоне – экрана. Затем, увеличивая степень открытия вентиля 15, повышают тем самым скорость воды в стеклянной трубе 14, вследствие чего ламинарный режим начинает нарушаться и переходить в турбулентный. При этом надо регулировать открытие крана 19, а также вентиля 11, не позволяя уровню воды в баке 12 опускаться ниже переливной трубы 13.

Во второй части работы производят замеры, необходимые для определения значения число Рейнольдса при разных режимах течения, Настраивают установку на ламинарный режим и приступают к определению расхода по ротаметру 17. Таких замеров проводят несколько раз (6-7), заканчивая их при развитом турбулентном движения.

 

Обработка опытных данных

 

Определить скорость движения воды в стеклянной трубе, через массовый расход воды:

w =

где: G - массовый расход воды, кг/ с;

r - плотность воды, кг/м³

d _BH – внутренний диаметр стеклянной трубы (d = 20 мм), м.

Массовый расход воды определяется из уравнения расхода:

G = V r

где: V – объемный расход воды, м³/сек.

Вычисляют число Re и определяют режим течения:

где: ν – кинематический коэффицент вязкости.

Определить число Рейнольдса для случаев прохождения жидкости через прямоугольное и квадратное сечения трубопроводов со сторонами «a» и «b». Значения сторон выдается преподавателем каждому студенту. При этом для определения скорости воды можно использовать экспериментальные значения расхода воды.

Результаты наблюдаемые, опытные и расчетные данные заносят в отчетную таблицу.

Таблица 2.1. Протокол наблюдений

 

№ п/п	Расход воды G, кг/с	Температура воды, tу, ^0С	Скорость движения воды w, м/с	Число Рейнольдса Re	Состояние подкрашенной струйки	Режим потока

2.5. Контрольные вопросы

1. Какое течение называется ламинарным?

2. Как определить среднюю скорость потока движущегося ламинарно?

3. Какое течение называется турбулентным?

4. Какого соотношение между средней и максимальной скоростями потока при турбулентном течении?

5. Что такое эквивалентный диаметр и гидравлический радиус?

6. Что такое число Рейнольдса? Каков его физический смысл?

7. В каком интервале числе Рейнольдса наблюдают «переходную» область?

8. От каких параметров зависит значение Re для змеевиков?

 

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 3