Досвід показує, що можливі два режими або два види руху рідин і газів: ламінарний і турбулентний.
Ламінарний рух характеризується впорядкованим переміщенням окремих частинок без перемішування і без пульсацій швидкостей і тисків. Якщо в прямій трубі постійного перетину протягом рідини ламінарний, то все лінії струму спрямовані паралельно осі труби.
Турбулентний (безладне) рух характеризується інтенсивним перемішуванням частинок рідини і пульсаціями швидкостей і тисків. Окремі частки рідини при турбулентному русі мають химерні траєкторії, тому що поряд з основним поздовжнім переміщенням рідини уздовж труби існують поперечні переміщення і обертальний рух окремих обсягів рідини.
Існування двох видів руху експериментально підтверджено О. Рейнольдсом. На підставі дослідів він встановив, що значення критичної швидкості прямо пропорційно кінематичної в'язкості рідини і обернено пропорційно діаметру труби
де k - безрозмірний коефіцієнт пропорційності, званий критичним числом Рейнольдса, і позначається Reкр.
Значення Reкр залежить від умов входу в трубу, шорсткості е стінок, відсутності або наявності первинних збурень в рідини. конвекційних струмів і ін. При практичних розрахунках для круглих труб постійного діаметра приймається Reкр = 2320.
Ламінарний плин стійко і практично спостерігається при значеннях числа Рейнольдса
тут - середня швидкість руху рідини по перетину в трубі, м / с; = Q / S (Q - об'ємна витрата в м3 / с, S - площа перетину труби. Для труби круглого перетину S = d2 / 4).
d - діаметр трубопроводу. м; - кінематична в'язкість, м
2 / с, кінематична в'язкість води визначається за емпіричною формулою
= 0,0175 (1 + 0,0158T) -2. cм 2 / с.
При Re> Reкр ламінарний плин втрачає, а турбулентний плин набуває стійкість і. нарешті, при числах Рейнольдса, великих деякого значення Re'кр, спостерігається цілком розвинена турбулентність. інтервал Reкр Ламінарний плин практично спостерігається в тонких (капілярних) трубках, в шарі мастила в підшипниках, в зазорах між поршнем і циліндром, в прикордонному шарі лопаток насосів і т.д. Течії в реальних трубопроводах найбільш поширених маловязких рідин (вода, бензин, масло, кислоти та ін.) Є, як правило, турбулентними Спостереження показують, що в природі існують два різних види руху рідини: по-перше, шаруваті впорядковане, або ламинарное 1. рух, при якому окремі шари рідини ковзають щодо один одного, не змішуючись між собою, і, по-друге, невпорядковане, або турбулентний, рух, коли частинки рідини рухаються по складним, весь час з-мінливих траєкторіях і в рідини відбувається інтенсивне перемішування. Вже давно відомо, що в'яз-кі рідини (масла) рухаються здебільшого впорядкування, а маловязкие рідини (вода, повітря) - майже завжди неупорядоченно. У дослідній установці Рейнольдса (рис. 3) до бака з водою приєднана скляна труба. Відкриваючи частково вентиль, можна змусити текти воду по трубі з різними швидкостями. З судини по трубці в гирлі труби надходить фарба. Рис.3. установка Рейнольдса Рис 4. Ламинарное і турбулентний рух рідини При малих швидкостях руху води в трубі пофарбована цівка НЕ розмивається окру-лишнього її водою і має вигляд натягнутої нитки (рис. 4, а) - потік в цьому випадку називають ламінарним. При збільшенні швидкості руху води, пофарбовані струмки отримують спочатку хвилясте обрис (рис.4, б), а потім майже раптово зникають, розмиваючись по всьому перетину труби і фарбуючи всю рідину. Рух рідини стає неупорядкованим, окремі частинки пофарбованої рідини розлітаються в різні сто-ку, стикаються один з одним, вдаряються об стінки і т.д. (Рис. 4, в); такий рух рідини називають турбулентним. Основна особливість турбулентного руху полягає в наявності поперечних до напрямку руху складових швидкості, що накладаються на основну швидкість в поздовжньому напрямку. Досліди Рейнольдса показали, що перехід від ламінарного течії до турбулентного відбувається при визна-діленої швидкості (так звана критична швидкість), яка, однак, для труб різних діаметрів виявляється різною, зростаючої зі збільшенням в'язкості і знижується зі зменшенням діаметра труби. При ламінарному русі розподіл швидкостей по перетину має параболічний характер: безпосередньо під стінами швидкості дорівнюють нулю, а при видаленні від них не-безперервно і плавно зростають, досягаючи максимуму на осі труби (рис. 5). Коефіцієнт гідравлічного опору визначається за формулою Стокса # 955; = 64 / Re. При турбулентному русі закон розподілу швидкостей складніше: в більшій частині поперечного перерізу швидкості лише незначно менше максимального значення (на осі), але зате поблизу стінок величина швидкості різко падає (рис. 4.6) в межах дуже тонкого шару, так званого вузького або пристенного подслоя. Більш рівномірний розподіл швидкостей по перетину при турбулентному русі пояснюється наличи третьому турбулентного перемішування, що здійснюється поперечними складовими швидкостей. Завдяки цьому перемішування частинки з великими швидкостями в центрі потоку і з меншими швидкостями на його периферії, безперервно стикаючись, вирівнюють свої швидкості. У самій стінки турбулентне перемішування паралізується наявністю твердих меж, і тому там спостерігається значно більш швидке падіння швидкості. Рис.6. Розподіл швидкостей при турбулентному русі в трубах Турбулентний режим течії, зона гідравлічний гладкого тертя. 2300≤Re≤10 / E; формула Блазіуса # 955; = 0,3164 / Re 0,25 .где Е = Ке / d- відносна еквівалентна шорсткість внутрішньої поверхні труб. Ке = 0,015 мм (безшовні сталеві нові); Ке = 0,15 мм (зварювальні сталеві з незначною корозією). Турбулентний режим течії, зона змішаного тертя. 10 / Ке ≤Re≤500 / Ке; формула Альшуля # 955; = 0,11 (68 / Re + Ке / d) 0,25. Турбулентний режим течії, квадратична зона тертя. 500 / Ке ≤Re; формула Шіфрінсона # 955; = 0,11 (Ке) 0,25 Грунтуючись на деяких теоретичних міркуваннях, а також на результатах дослідів, Рейнольдс встановив загальні умови, при яких можливі існування ламінарного і турбулентного режимів руху рідини і перехід від одного режиму до іншого. Виявилося, що стан (режим) потоку рідини в трубі залежить від безрозмірного числа, яке враховує основні фактори, що визначають цей рух: середню швидкість v, діаметр труби d, щільність рідини р і її абсолютну в'язкість ц. Це число (пізніше воно стало на-зване числом Рейнольдса) має вигляд: Re = # 965; # 961; d / # 956; = # 965; d / v. Діаметр d в числі Рейнольдса може бути замінений будь-яким лінійним діаметром, пов'язаних з умовами перебігу або обтікання (діаметр труби, діаметр падаючого в рідини кулі, довжина обтічної рідиною пластинки і ін.). Число Рейнольдса, при якому відбувається перехід від ламінарного руху до турбулентного, називають критичним і позначають Reкр. При Re> Reкр режим руху є турбулентним, при Re Питання про нестійкість ламинарного руху і про його перехід в турбулентний, а також про величину кри-тичного числа Рейнольдса піддавався ретельному теоретичному і експериментальному вивченню, але до сих пір не отримав ще досить повного рішення. Найбільш часто в розрахунках приймають для критичного числа Рейнольдса при русі рідини в трубах значення Проведені дослідження показують також, що критичне число Рейнольдса збільшується в звужуються трубах і зменшується в розширюються. Це можна пояснити тим, що при прискоренні руху частинок рідини в звужуються трубах їх тенденція до поперечного перемішування зменшується, а при повільному течії в розширюються трубах посилюється. За критичного числа Рейнольдса легко можна знайти також критичну швидкість, т. Е. Швидкість, нижче якої завжди буде відбуватися ламінарний рух рідини: У трубопроводах систем опалення, водопостачання, вентиляції, газопостачання та ін. Рух, як правило, є турбулентним, так як рухається середовище (вода, повітря, газ, пар) має малу в'язкість. Ламінарний режим можливий лише в трубах дуже малого діаметру. Більш в'язкі рідини наприклад, масла, можуть рухатися ламінарно навіть в трубах великого діаметру. Фізичний сенс критерію Рейнольдса це відношення турбулізуючими чинників до факторів заспокійливим.
Рис.5. Розподіл швидкостей при ламінарному русі в трубах