Режимы течения. Понятие о пограничном слое. Модель идеальной жидкости.

Определение ламинарного и турбулентного режимов течения. Ламинарное течение в круглых трубах и переход к турбулентному течению. Распределение скоростей при турбулентном течении в трубах. Раскрыто понятие пограничного слоя. Описана модель идеальной жидкости.

Наблюдения показывают, что в природе существует два различных режима движения жидкости: во-первых, слоистое, упорядоченное или ламинарное движение (lamina – слой), при котором отдельные слои жидкости скользят друг относительно друга, не смешиваясь между собой; и во-вторых, неупорядоченное и называемое турбулентным (turbulentus – вихревой) движение, когда частицы жидкости движутся по сложной, всё время изменяющейся траектории и в жидкости происходит интенсивное перемешивание.

Физическая характеристика условий, определяющих режим движения жидкости, была найдена английским физиком Осборном Рейнольдсом в 1883 г.

Опытная установка Рейнольдса (рис. 12.1) состоит из бака с водой, к которому присоединена стеклянная труба В. Открывая частично вентиль С, можно обеспечить движение воды в трубе с различными скоростями.

Из сосуда Д по трубке Е в её устье поступает подкрашенная жидкость. При малых скоростях течения воды в трубе окрашенная струйка не размывается окружающей водой, имея вид натянутой нити. Поток в этом случае называется ламинарным. При увеличении скорости движения в трубе окрашенные струйки получают вначале волнистое очертание, а затем почти внезапно начинают размываться по всему сечению трубы и окрашивая всю жидкость. Движение жидкости становится неупорядоченным, отдельные частицы окрашенной жидкости движутся в разных направлениях, сталкиваясь друг с другом, ударяются о стенки и т.д. Такое движение жидкости называется турбулентным. Основная особенность турбулентного движения – наличие поперечных составляющих скорости. Опыты Рейнольдса показывают, что переход от ламинарного движения к турбулентному происходит при определённой скорости, которая, однако, для разных жидкостей и для разных диаметров труб оказывается различной, возрастая с увеличением вязкости и уменьшаясь с уменьшением диаметра трубы.

Основываясь на проведённых опытах, Рейнольдс установил общие условия, при которых возможно существование ламинарного и турбулентного режима и переход от одного к другому. Оказалось, что режим движения жидкости зависит от вязкости жидкости m её плотности r, средней скорости течения V и геометрических размеров живого сечения, например для трубы диаметра d. Характеристикой режима может служить безразмерный комплекс величин: l, m, r, V.