Основные теоретические положения. Одна из основных задач практической гидромеханики – оценка (определение) потерь напора (давления) на преодоление гидравлических сопротивлений

Одна из основных задач практической гидромеханики – оценка (определение) потерь напора (давления) на преодоление гидравлических сопротивлений, возникающих при движении реальных жидкостей в различных гидравлических системах. В бурении такой задачей является выбор бурового насоса, который служит для нагнетания промывочной жидкости на забой скважины.

Чтобы правильно определить гидравлические сопротивления, надежно произвести расчеты, связанные c использованием гидравлической мощности, создаваемой буровыми насосами, необходимо, прежде всего, составить ясное представление о механизме самого движения жидкости.

В 1883 г. известный английский физик Осборн Рейнольдс опубликовал результаты своих экспериментальных исследований, весьма наглядно иллюстрирующих существование в природе двух режимов движения жидкости: ламинарного и турбулентного. Для глинистых буровых растворов существует еще и структурный режим.

Рис. 4.1

На практике в большинстве случаев наблюдается турбулентный режим (движение воды в трубах, каналах, реках, бурового раствора в бурильных трубах). Ламинарный режим – реже, например, при движении очень вязких жидкостей в трубах (нефтепроводы), глинистого раствора в желобной системе буровой установки и др.

Сущность опытов Рейнольдса сводится к следующему. Имеется бак A, к которому присоединена горизонтальная стеклянная труба B, снабженная краном С (рис. 4.1). Над баком устанавливается сосуд D с окрашенной жидкостью, подаваемой в трубу В по тонкой трубке Е. Перед проведением опытов бак заполняют водой (например, из водопровода через трубу F), и ее уровень поддерживают постоянным при помощи сливной линии Н. Затем, открывая кран С, в трубе В создают поток жидкости, а открывая кран К на трубе Е, в этот поток подают тонкую струю окрашенной жидкости.

Постепенно все более открывая кран С, можно повышать расход и, следовательно, скорость течения жидкости в трубе В. При этом можно наблюдать следующую картину: при небольших скоростях течения в трубе В окрашенная жидкость движется в виде отчетливо выраженной тонкой струйки (рис. 4.2, а), не смешиваясь с потоком неокрашенной воды; при повышении скорости течения окрашенная струйка начинает колебаться и принимает волнообразные очертания. Затем на отдельных ее участках начинают появляться разрывы, она теряет отчетливую форму и, наконец, при каком-то определенном значении скорости полностью разрывается, целиком размываясь жидкостью (рис. 4.2, б). При этом отдельные частицы красящего вещества смешиваются со всей массой жидкости, равномерно ее окрашивая.

Рис. 4.2

Если в этом случае подмешать в поток жидкости мелкие твердые частицы такой жe плотности, что и сама жидкость, перемещение этих частиц будет происходить по весьма сложным криволинейным траекториям.

При проведении опыта в обратном порядке, т.е. при постепенном, закрытии крана, наблюдаемые явления повторяются в обратном порядке, но обычно при несколько других значениях скоростей.

Движение жидкости при малых скоростях, кода отдельные струйки жидкости движутся параллельно оси потока, называют ламинарным (от латинского слова «ламина» слой), или струйчатым. Ламинарное движение можно рассматривать как движение отдельных слоев жидкости, происходящее без перемешивания частиц.

Второй вид движения жидкости, наблюдаемый при больших скоростях, называют турбулентным («турбулентус» по-латински вихревой). В этом случае в движении жидкости нет видимой закономерности. Отдельные частицы перемешиваются, между собой и движутся по самым причудливым, все время изменяющимся траекториям. Такое движение также называют беспорядочным. В действительности, при турбулентном режиме имеют место определенные закономерности.