Види течії в’язкої рідини

Розглянемо течію в’язкої рідини, звернувшись безпосередньо до досліду. Підключимо тонку горизонтальну скляну трубу з впаяною в неї вертикальними манометричним трубками за допомогою гумового шланга до водопровідного крана (рис. 1.80).

При невеликій швидкості течії води легко бачити зниження рівня води в манометричних трубках у напрямку течії (h ₁> h ₂> h ₃). Це у свою чергу вказує на наявність горизонтального градієнта тиску – статичний тиск рідини зменшується уздовж потоку. Тому для стаціонарності течії на кінцях труби потрібно підтримувати постійну різницю тисків, що зрівноважує сили внутрішнього тертя, що виникають при течії рідини. Зменшення тиску уздовж труби необхідно враховувати, наприклад, при водо- та газопостачанні у відповідних гідродинамічних розрахунках водогонів, та газопроводів, а також у нафтодобувній галузі при проектуванні нафтопроводів.

Спостерігається два види течії рідини (чи газу). В одних випадках рідина як би розділяється на шари, які ковзають один відносно одного, не перемішуючись. Така течія називається ламінарною. Якщо в ламінарний потік ввести підфарбовану струмину, то вона зберігається, не розмиваючись, на усій довжині потоку, оскільки частинки рідини в ламінарній течії не переходять із одного шару в інший. Ламінарна течія стаціонарна.

При зростанні швидкості чи поперечних розмірів потоку характер течії суттєвим чином змінюється. Виникає енергічне перемішування рідини. Така течія називається турбулентною. При турбулентній течії швидкість частинок в кожному даному місці увесь час змінюється хаотичним чином – течія нестаціонарна. Якщо в турбулентний потік ввести зафарбовану струмину, то уже на невеликій відстані від місця її введення зафарбована рідина рівномірно розподілиться по усьому перерізу потоку.

Англійський учений Рейнольдс установив, що характер течії залежить від значення безрозмірної величини:

(1.195)

де ρ – густина рідини (чи газу), – середня (по перерізу труби) швидкість потоку, η – коефіцієнт в’язкості рідини, l – характерний для поперечного перерізу розмір, наприклад, сторона квадрата при квадратному перерізі, радіус або діаметр при коловому перерізі і т.д.

Величина (1.195) називається числом Рейнольдса. При малих значеннях числа Рейнольдса спостерігається ламінарна течія. Починаючи із деякого певного значення Re, яке називається критичним, течія набуває турбулентного характеру. Якщо за характерний розмір для круглої труби узяти її радіус r, то критичне значення числа Рейнольдса виявиться рівним близько 1000. Число Рейнольдса може слугувати критерієм подібності для течії рідини у трубах, каналах тощо. Характер течії різних рідин (чи газів) у трубах різних перерізів буде абсолютно однаковим, якщо кожній течії відповідає одне і те ж значення Re.