1. Основні теоретичні відомості
Ламінарний
(шаруватий, впорядкований) режим течії
— при якому можливе існування стаціонарних
траєкторій руху рідких частинок. При
турбулентному
(невпорядкованому, безладному) режимі
траєкторії хаотично змінюються в
просторі і часі завдяки нерегулярним
пульсаціям частинок, що призводить до
відповідних пульсацій швидкості, тиску,
температури та інших локальних параметрів
течії. Режими течії можуть виявлятися
візуально по поведінці введеної в потік
рідини тонкої струминки підфарбовуючої
рідини (досліди Осборна Рейнольдса,
1883 р.). При переході від ламінарного
режиму до турбулентного струминка фарби
під дією наростаючого тривимірного
пульсаційного руху частинок у потоці
втрачає стійкість, приймає хвилеподібну
форму і, зрештою, зникає, змішуючись з
усією рідиною, що протікає в трубі.
Можна вважати, що турбулентна течія
містить велику кількість вихорів, тобто
збурень, неоднорідностей, різних
масштабів. Однак, треба пом’ятати,
що обертання рідких частинок може мати
місце і у ламінарних потоках. У
турбулентному потоці місцеву миттєву
швидкість
частинки зображують у вигляді суми
місцевої усередненої в часі швидкості
(
— період усереднення) і пульсаційної
швидкості 
.
При турбулентній течії рідини в трубі
обмін кількістю руху частинок в
поперечному напрямку під дією пульсацій
обумовлює більш рівномірне розподілення
усереднених швидкостей
в проекціях на нормаль в кожній точці
живого перерізу стабілізованого
потоку (рис. І.І, поз.
)
у порівнянні з параболічним розподілом
швидкостей при ламінарній течії (коли
)
в трубах ( рис. І.І, поз.
).
Рис. І.І
Розрахунковим шляхом режим руху рідини виявляють по величині безрозмірного комплексу – числу Рейнольдса
де
— середня
в живому перерізі потоку швидкість,
м/с:
;
Q
– об’ємна
витрата рідини,
;
— площа живого перерізу потоку,
;
–
локальна швидкість,
;
— характерний лінійний розмір потоку,
:
при течії в трубі круглого перерізу це
–внутрішній
діаметр труби d,
в трубі некруглого перерізу – гідравлічний,
або еквівалентний, діаметр
(
–
змочений периметр), при обтіканні крила
або лопатки гідромашини це хорда
профілю і т. п.;
— кінематична в'язкість даної рідини,
,
яка залежить, головним чином, від
температури
;
- густина рідини,
;
- динамічна в'язкість,
.
При
стабілізованих
рухах рідини в круглій трубі існує такий
зв’язок
між середньою та максимальною (на осі
труби) швидкостями: при турбулентному
режимі течії
,
при ламінарному —
.
Зміна
режимів напірного руху рідини в круглих
трубах відбувається при критичних
значеннях числа
:
нижньому
,
нижче якого ніякі збурення в потоці не
призводять до розвитку турбулентності;
верхньому
,
вище якого потік є завжди турбулентним.
При
за ідеалізованих умов можливий нестійкий
ламінарний режим, що незворотньо
переходить в турбулентний навіть при
незначних випадкових збуреннях в потоці,
пов’язаних, наприклад, із зміною стану
обтічної поверхні труби, вібрацією
установки і т. п.). У машинобудівній
гідромеханіці зазвичай використовують
одне значення
згідно
з дослідними даними Рейнольдса і Шиллера,
що відповідає реальним умовам течії
рідини в технічних пристроях, не вільних
від різних джерел збурень потоку.
Режими
течії великою мірою визначають
гідравлічний опір і теплообмін в потоках.
Так, при ламінарному русі рідини в
трубах (
)
втрати питомої енергії, тобто напору,
потоку на подолання опору тертя
пропорційні середній швидкості:
;
однак
при
турбулентному русі
(
):
,
де
.
При турбулентному режимі
інтенсивність тепломасообіну в системі
також набагато вище, ніж при ламінарному.
Число
Рейнольдса - один з критеріїв динамічної
подібності різних потоків. Згідно з
теорією подібності, число
являє собою міру відношення конвективних
сил інерції до сил в’язкого тертя в
рухомій рідині.