2

46 „Ćwiczenia laboratoryjne z mechaniki płynów"

stabilizującym przepływ jest lepkość płynu. Lepkość może nawet spowodować zanik ruchu płynu, o ile energia dostarczana z zewnątrz jest zbyt mała.

Przepływ jest natomiast niestateczny wtedy, gdy drobne zaburzenia narastają z upływem czasu. Dzieje się tak przy wzroście liczby Reynoldsa. Utrata stateczności prowadzi do nowej struktury przepływu, czyli do przejścia od przepływu laminamego do turbulentnego. Liczba Reynoldsa, przy której następuje zanik przepływu laminamego, nosi nazwę krytycznej liczby Reynoldsa Re_kr.

Zagadnienie stateczności przepływu płynów lepkich nie daje się rozwiązać w drodze rozważań teoretycznych ze względu na trudności matematyczne. Cała wiedza praktyczna na ten temat pochodzi z doświadczeń. Wiedza ta datuje się od badań O. Reynoldsa (1883 r.), który pierwszy' ustalił warunki przechodzenia przepływu laminamego w turbulentny. Przyjęta za podstawę wartość Reia= 2320 pochodzi ze znacznie późniejszych badań L. Schillera (1921 r.) i dotyczy przeciętnych wartości dla technicznie gładkich rur.

Krytyczna liczba Reynoldsa nie jest wartością stałą w różnych warunkach przepływu. Zależy ona od wielu czynników, takich jak: pulsacja napływającego płynu, rozkład prędkości przed wlotem do rury, ukształtowanie wlotu rury, drgania rury, chropowatość ścian itp. W grę wchodzą więc te czynniki, które decydują o utracie stateczności przepływu. Przy daleko posuniętej ostrożności udało się utrzymać przepływ laminamy aż do Re_kr = 50000. Z tego powodu przyjmuje się dwie wartości krytycznej liczby Reynoldsa, a mianowicie dolną Re_kr) = 2320 i górną Re_kr2 = 50000.

W zakresie Re < Re^i istnieje stateczny przepływ, tj. przepływ laminar-ny, podczas którego wszelkie zaistniałe zaburzenia są znoszone w dół przepływu i usuwane z rury. W tym zakresie nie udało się zaobserwować przepływu turbulentnego jako zjawiska trwałego. W zakresie Re > Re^ istnieje ruch metastabilny, czyli niestateczny względem zaburzeń o skończonej amplitudzie, przy czym amplituda ta może być tym mniejsza, im większa jest wartość Re. W zakresie Re > Re_kr2 przepływ jest niestateczny względem nieskończenie małej amplitudy zaburzeń, a więc przepływ stateczny jest w tym zakresie w ogóle niemożliwy. W zagadnieniach, technicznych przyjmuje się, że w zakresie Re > Re^ istnieje zawsze przepływ turbulentny. Jest to usprawiedliwione tym, że pojawia się wówczas wiele źródeł zaburzeń prowadzących do utraty stateczności. W przyrodzie i technice występują głównie przepływy turbulentne.

3. Schemat i opis stanowiska pomiarowego

Schemat stoiska jest pokazany na rysunku 1. Zasadniczym elementem stoiska jest przezroczysta rura pomiarowa (1) z metapleksu. Do rury pomiarowej wchodzi przewód (2) zakończony dyszą, przez którą dopływa cienka struga barwnika (zabarwiona woda). Przepływ wody w rurze pomiarowej jest regulowany zaworem (3) a dopływ barwnika - zaciskiem (4). Woda dopływa ze zbiornika (5) przez zawór główny (6) pod stałym ciśnieniem hydrostatycznym dzięki istnieniu przelewu, zaś barwnik dopły wa ze zbiorniczka (7) pod nieco większym ciśnieniem. Bardzo istotnym elementem jest zbiornik wyrównawczy (8) z zespołem siatek i prostownic (9), które służą do wygaszania zaburzeń wody. Przewód (10) pozwala na odpowietrzenie układu przepływowego. Do pomiaru strumienia objętości wody służy rotametr (11), a do pomiaru temperatury' wody - termometr (12).

7

zzi-

Rys. 1. Schemat stoiska pomiarowego 1 - rura pomiarowa, 2 - przewód, 3 - zawór regulacyjny, 4 - zacisk,

5 - zbiornik, 6 - zawór główny, 7 - zbiorniczek barwnika, 8 - zbiornik wyrównawczy, 9 -zespół siatek i prostownic, 10 - przewód odpowietrzający, 11 - rotametr, 12-termometr.