Движение жидкостей может быть двух типов: ламинарное и турбулентное.
Ламинарное движение (из латинского: lamina — тонкий лист), это упорядоченное течение вязкой жидкости, при котором жидкость перемещается параллельно течению, разделенная на слои. Оно наблюдается в случае движения очень вязких жидкостей, таких как нефть, мазут или смазочные масла, а также при движении подпочвенных вод или при низкоскоростном течении, и обтекании малых тел жидкостью. Ламинарное движение возникает в узких (капиллярных) трубках, в смазочном слое под подшипниками, а также в тонком пограничном слое, который образуется вблизи поверхности тела при его обтекании жидкостью или газом. При увеличении скорости течения ламинарное движение может перейти в дезорганизованное турбулентное течение, при котором сила сопротивления резко изменяется.
Турбулентное движение является формой течения жидкости или газа, при которой их элементы движутся бурно и беспорядочно по сложной траектории. Это приводит к интенсивному перемешиванию между слоями движущейся жидкости или газа. Турбулентный режим движения встречается при перемещении маловязких жидкостей, таких как вода, бензин и спирт, через трубы, каналы и реки. Особенно тщательно изучены турбулентные движения в трубах, каналах и пограничных слоях около обтекаемых жидкостью или газом твердых тел. Также известны свободные турбулентные движения, которые включают струи, следы за движущимися твердыми телами и зоны перемешивания между потоками разной скорости без твердых стенок. Турбулентные движения отличаются сложной внутренней структурой и распределением осредненной скорости в потоке, а также зависят от числа Рейнольдса через среднюю скорость, расход и коэффициент сопротивления.
Тип движения жидкости зависит от соотношения сил, действующих на нее. Если при движении жидкости преобладают силы трения, то это будет ламинарный режим. Если преобладают силы инерции, то движение будет турбулентным.
Критическое число Рейнольдса, при котором происходит переход от ламинарного режима к турбулентному, обозначается как ReKp. В общем случае тип движения жидкости определяется безразмерным комплексом, который учитывает отношение сил инерции к силам трения.
где vcp — средняя скорость потока, v — кинематическая вязкость, / — характерный геометрический размер живого сечения (диаметр в круглых напорных трубах). В экспериментах с напорными трубами было установлено, что момент перехода ламинарного режима в турбулентный происходит при ReKp = 2320. Следовательно, движение в трубах при числе Рейнольдса больше 2320 является турбулентным.
Когда жидкость движется без напора и в трубах с другими поперечными сечениями значение числа Рейнольдса определяется не по диаметру трубы, а по гидравлическому радиусу с использованием следующей формулы:
Критическое число Рейнольдса R составляет четверть от d, что означает, что при безнапорном движении ReKp будет на 4 порядка меньше, чем в случае движения в трубах. Следовательно, если ReKp составляет 580, то течение становится турбулентным.
Переход от ламинарного течения к турбулентному может происходить в определенном диапазоне скоростей. Этот диапазон называется зоной переходного режима и ограничен двумя значениями скорости течения. Эти значения известны как нижняя и верхняя критические скорости.
При ламинарном потоке жидкости внутри цилиндрической трубы распределение скоростей вдоль сечения показано графически с помощью параболической кривой (рис. 1.15, а, б); скорости прилежащие к стенкам трубы равны нулю, затем плавно увеличиваются, достигая максимального значения в центре трубы. Градиенты скоростей возрастают к стенкам трубы столкновение, эпюры гидростатического давления и скорости течения представлены на рис. 1.15, б.
При однородном движении жидкости, когда все сечения по длине потока одинаковы и по форме, и по размерам, и скорости в соответствующих точках сечений тоже одинаковы. Следовательно, скорость зависит только от радиуса. Закон распределения скоростей можно записать следующим образом:
где v и — скорость в некоторой точке, которая находится на расстоянии г от центра, v — средняя скорость, г 0 — радиус трубы.
![Эпюры скорости в ламинарном движении жидкости [30]](https://studref. com/htm/img/32/7629/74.png)
Рис. 1.15. Эпюры скорости при ламинарном течении жидкости [30]
Фигура 1.16. К определению концепции усредненной местной скорости Выражение для связи между максимальной и средней скоростью имеет вид:
Турбулентный режим движения жидкости — это хаотическое движение частицы по различным траекториям с различными скоростями. В каждой точке потока скорость непрерывно изменяется как по величине, так и по направлению, отклоняясь от среднего значения. Изменение мгновенной местной скорости (и’) в течение времени называется пульсацией скорости (рис. 1.16).
Осредненная местная скорость, или средняя по времени скорость, обозначается как (и). Аналитическая связь между осредненной скоростью за период Т и мгновенной скоростью может быть выражена следующим образом:
Распределение средних скоростей течения в урезанном сечении трубопровода (см. Рис. 1.17)
Становление турбулентного потока внутри ядра турбулентности приводит к постоянному и интенсивному перемешиванию жидкостных частиц, вызывая дополнительные напряжения. Область турбулентного течения характеризуется максимальной скоростью, превышающей среднюю скорость течения в 1,2-1,3 раза.
