6. Записать и объяснить уравнение Бернулли для двух сечений трубопровода, по которому движется реальная жидкость и идеальная.

7. Чем отличается потерянная энергия и потерянный напор?

8. Как рассчитывается энергия, теряемая на трение?

Лабораторная работа № 2

2. Определение режима течения жидкости

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

2.1 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 диаметруD 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 = πd^2/ 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: