Основи гідравліки (стр. 6 из 19)
Ламінарний режим характеризується шаруватою течією рідини без перемішування окремих її шарів і без пульсацій швидкості і тиску. Ламінарний режим може установлюватися в капілярних трубках при малих швидкостях руху води, а також при русі рідин з великою в’язкістю (нафта, масла, гліцерин тощо).
При турбулентному режимі течія рідини супроводжується інтенсивним перемішуванням окремих її частинок і пульсаціями швидкостей і тиску. Цей режим характерний при русі води в системах водопостачання і інших рідин при відносно великих швидкостях руху.
Рейнольдс встановив, що критерієм режиму руху рідини є безрозмірна величина, яка являє собою відношення добутку швидкості потоку на характерний лінійний розмір до коефіцієнта кінематичної в’язкості рідини. Цю величину пізніше було названо числом (критерієм) Рейнольдса і позначено через Re. Для потоків рідини в трубах круглого поперечного перерізу число Рейнольдса підраховують за формулою:
 , | (3.21) |
де d – геометричний діаметр труби.
Значення числа Рейнольдса, яке відповідає переходу від ламінарного режиму течії в турбулентний і навпаки, називають критичним. Для труб круглого перерізу:
 , | (3.22) |
тут υкр – середня критична швидкість руху рідини.
Таким чином, якщо
 , |
то режим руху ламінарний; при
– турбулентний.Для каналів з довільною формою поперечного перерізу критерій Рейнольдса визначають за формулою:
 | (3.23) |
в якій
– гідравлічний радіус каналу.3.7 Визначення втрат енергії при ламінарному режимі течії рідини в трубі круглого поперечного перерізу
Математично можна довести, що епюра швидкостей в поперечному перерізі труби при ламінарній течії рідини є квадратичною параболою, рівняння якої згідно з рис.3.7 має вигляд:
 . | (3.24) |
В цьому рівнянні:
р=p1–p2 – втрати тиску між двома даними перерізами труби; l – відстань між двома перерізами; r – радіус труби; у – відстань від осі потоку (труби), змінюється від 0 до r ;
– динамічний коефіцієнт в’язкості. 
Рис.3.7
Очевидно, що максимальна швидкість потоку буде при у=0, тобто на осі труби; величина її визначається формулою:
 . | (3.25) |
де d – діаметр труби.
Середня швидкість рідини виявляється вдвічі меншою за максимальну:
 . | (3.26) |
Втрати напору (енергії) на тертя знаходяться за формулою Пуайзеля, яка виходить зі співвідношення (3.26):
 . | (3.27) |
В останньому рівнянні
– об’ємна витрата рідини; ν – кінематичний коефіцієнт в’язкості; ρ – густина рідини.
Якщо гідравлічні втрати виразити не в одиницях тиску, а в лінійній розмірності, то отримаємо такі залежності:
 , | (3.28) |
або
 . | (3.29) |
Закон Пуайзеля можна привести до вигляду формули Дарсі-Вейсбаха (3.18). Для цього помножимо і поділимо праву частину рівняння (3.27) на середню швидкість υ. Після деяких перетворень кінцево отримаємо:
 |
Прирівняємо втрати напору по довжині, визначенні за формулами (3.19) і (3.29):
 . |
Звідсіля гідравлічний коефіцієнт тертя при ламінарному режимі
 | (3.30) |
В загальному випадку ламінарної течії:
 . | (3.31) |
Місцеві опори в трубопроводах при ламінарному режимі течії рідини значно менші порівняно з опором сил гідравлічного тертя; до того ж закономірності їх зміни мало досліджені. Тому місцеві опори враховують як частку лінійних втрат через еквівалентну довжину трубопроводу.
3.8 Турбулентний режим і визначення втрат енергії потоку в трубах круглого поперечного перерізу
3.8.1 Деякі відомості про структуру турбулентного потоку
Механізм турбулентного потоку значно складніший порівняно з ламінарною течією рідини. При турбулентному режимі частинки рідини безладно перемішуються між собою, а швидкості в будь-якій точці потоку безперервно змінюються за величиною та напрямом.
Для спрощення гідравлічних розрахунків турбулентного потоку вводять поняття осередненої місцевої швидкості, яка, незважаючи на значні коливання миттєвих швидкостей, залишається практично незмінною і паралельною осі потоку. Така заміна робить можливим використання рівняння Бернуллі і для турбулентного потоку рідини.
Рис.3.8
Експериментальні дослідження показують (Прандтль, Нікурадзе), що турбулентний потік в трубах поділяється на дві, різко відмінні частини. Безпосередньо у стінки труби утворюється дуже тонкий шар рідини
з ламінарним режимом руху: так званий ламінарний підшарок. Інша, основна частина потоку – турбулентне ядро, в якому відбуваються інтенсивні пульсації швидкості і перемішування частинок (рис.3.8).3.8.2 Поняття про гідравлічно гладкі і шорсткі труби
Поверхні стінок труб, каналів не бувають абсолютно гладкими, а мають ту чи іншу шорсткість. Висоту виступів шорсткості позначають літерою
і називають абсолютною шорсткістю; відношення до радіуса або діаметра труби, тобто 
, 
, називають відносною шорсткістю.З метою спрощення розрахунків користуються поняттям еквівалентної шорсткості
, при якій втрати енергії (напору) рідини виходять такими самими, як і при фактичній нерівномірній шорсткості.В залежності від співвідношення товщини ламінарного підшарка
і абсолютної шорсткості розрізняють труби гідравлічно гладкі ( 
) і гідравлічно шорсткі ( 
). При 
говорять про перехід від гідравлічно гладких до гідравлічно шорстких стінок.3.8.3 Визначення коефіцієнта гідравлічного тертя при турбулентному режимі
Для того, щоб можна було розрахувати за формулою Дарсі-Вейсбаха (3.19) втрати напору (енергії) по довжині потоку, необхідно знати коефіцієнт гідравлічного тертя
, який при турбулентному режимі руху в загальному випадку залежить від числа Рейнольдса, відносної шорсткості і характеру самої шорсткості.На основі аналіза результатів великої кількості експериментальних досліджень (І. Нікурадзе, Кольбрук, Ф. Шевелєв та інші) було виявлено, що в залежності від величини числа Рейнольдса всю зону турбулентного режиму руху можна поділити на три області.