background image

Klasyczne doświadczenia Reynoldsa 

download: http://www.mech.pk.edu.pl/~m52/pdf/[8_opis].pdf 

 

Ćwiczenie 8 

 

KLASYCZNE DOŚWIADCZENIA REYNOLDSA 

 

8.1.  Wprowadzenie 

W  1883  r.  Osborne  Reynolds  przeprowadził doświadczenie,  które  wykazało,  że  model 

płynu  doskonałego,  opisanego  równaniami  Eulera  odbiega  znacznie  od  praw  rządzących 

przepływem  lepkiego  płynu  rzeczywistego.  Odmienność  cech  fizycznych  zmusza  do 

odrzucenia  metod,  które  stosowano  w  dynamice  cieczy  doskonałej.  Chcąc  określić 

jakościowo podstawowe różnice pomiędzy ruchem cieczy doskonałej a ruchem cieczy lepkiej 

rozpatrzymy  ustalony  przepływ  cieczy  przez  prostoosiowy  przewód  o  stałym  przekroju 

poprzecznym.  Zarówno  równania  Eulera,  jak  również  wywodzące  się  z  nich  równanie 

Bernoulliego  nie  rozwiązują  zagadnienia  dla  cieczy  lepkiej,  zgodnie  z  wynikami  badań 

doświadczalnych. Równania Eulera dopuszczają możliwość dowolnego, aczkolwiek ciągłego 

rozkładu  prędkości,  podczas  gdy  doświadczalnie  stwierdza  się  zawsze  spadek  prędkości  od 

osi  przewodu  ku  ścianom.  Spadek  ten  ma  przy  tym  wyraźnie  określony  charakter, 

wyróżniający się zawsze zerową wartością prędkości na ścianach. Z równania Bernoulliego 

wynika, iż wzdłuż przewodu nie ma strat energii, podczas gdy przy przepływie cieczy lepkiej 

dyssypacja  energii  jest  wyraźna  i mierzalna.  Wymienione  różnice  powodują  nieprzydatność 

metod dynamiki cieczy doskonałej do opisu ruchu cieczy lepkiej. Należy podkreślić, że często 

identyfikowano  składowe  prędkości  ruchu  w  równaniach  Eulera  -  ze  składowymi  prędkości 

przynależnymi  do  ruchu  głównego  polegającego  na  dostrzegalnym,  a  zatem  dającym  się 

mierzyć  przemieszczaniu  się  cząstek  cieczy  w  kierunku  ruchu.  W  rzeczywistości  do  tej 

prędkości  dołącza  się  dodatkowa  prędkość,  będąca  wynikiem  niedostrzegalnych  drobnych 

ruchów  pobocznych.  Ruchy  te  przy  przepływach  uwarstwionych,  odbywających  się 

z niewielkimi  prędkościami,  są  ruchami  molekularnymi,  stanowiącymi  istotę  ciepła 

i wywołującymi  dyfuzję  pędu  z  elementów  poruszających  się  szybciej  ku  elementom 

poruszającym  się  wolniej.  Po  przejściu  ruchu  uwarstwionego  w  ruch  burzliwy  do  ruchów 

molekularnych  dołączają  się  molarne  pulsacje  o wielkiej  częstotliwości,  stanowiące  istotę 

burzliwości. 

background image

Klasyczne doświadczenia Reynoldsa 

download: http://www.mech.pk.edu.pl/~m52/pdf/[8_opis].pdf 

8.2.  Doświadczenie Reynoldsa 

Warunki powstawania ruchu  burzliwego określił doświadczalnie Reynolds, obserwując 

zjawisko  przepływu  wody  przez  rurki  szklane,  po  wprowadzeniu  w  masę  poruszającej  się 

wody cienkiej strugi cieczy zabarwionej o tej samej gęstości. 

Przy dostatecznie małej średniej prędkości przepływu cienka struga zabarwionej cieczy 

przedstawia  się  w  postaci  linii  prostej,  równoległej  do  osi  rury.  Ten  ruch  strugi  barwnika 

świadczy o uwarstwionym charakterze ruchu, stąd też wywodzi się nazwa ruch uwarstwiony.  

Często  ruch  uwarstwiony  nazywa  się  ruchem  laminarnym.  Jeżeli  średnia  prędkość 

przepływu  przekroczy  pewną  krytyczną  wartość  liczbową,  struga  zabarwiona  doznaje 

gwałtownych wahań  i rozmazuje się w całej objętości cieczy. Zjawisko to było dowodem,  iż 

ruch  cieczy  po  przekroczeniu  prędkości krytycznej  przeszedł w całej  rurze  w ruch  burzliwy, 

nazywany również turbulentnym. 

Ruch burzliwy charakteryzuje się ruchami pobocznymi, które spowodowały rozmazanie 

barwnika  w  całym  obszarze  płynącej  cieczy.  Przy  przejściu  ruchu  laminarnego  w  ruch 

turbulentny zmienia się rozkład prędkości w przekroju poprzecznym przewodu, co pokazano 

na rys. 8.2. 

Doświadczenia  Reynoldsa  wykazały,  że  wartość  liczbowa  prędkości  krytycznej  v

k

  jest 

wprost  proporcjonalna  od  kinematycznego  współczynnika  lepkości  cieczy 

η

,  a  odwrotnie 

proporcjonalna do średnicy przewodu d: 

k

k

v

Re

d

ν

=

 

(8.1) 

przy  czym  bezwymiarowy  współczynnik  proporcjonalności  zmieniał  swą  wartość 

w granicach: Re = 2000

÷

2400. 

 

 

 

 

 

Rys.  8.1.  Obserwacja  Reynoldsa:  a)  przepływ  laminarny,  b)  przejściowa  forma  przepływu,  c) 
przepływ turbulentny 

a) 

b) 

c) 

background image

Klasyczne doświadczenia Reynoldsa 

download: http://www.mech.pk.edu.pl/~m52/pdf/[8_opis].pdf 

Z  teorii  podobieństwa  hydrodynamicznego  wiadomo,  że  liczba  Reynoldsa  jest 

zdefiniowana stosunkiem sił bezwładności do sił lepkości w płynie, co prowadzi do wzoru: 

v l

v l

Re

⋅ ⋅ρ

=

=

ν

η

 

(8.2) 

gdzie: 

l - jest wymiarem liniowym, charakteryzującym dany przepływ.  

Dla przewodu o przekroju kołowym liczbę Reynoldsa oblicza się ze wzoru: 

v d

v d

Re

⋅ ⋅ρ

=

=

ν

η

 

(8.3) 

gdzie: 

v - średnia prędkość przepływu, 

d - średnica wewnętrzna przewodu, 

ν

 - kinematyczny współczynnik lepkości, 

η

 - dynamiczny współczynnik lepkości, 

ρ

 - gęstość płynu. 

 

Rys. 8.2. Rozkład prędkości przy ruchu laminarnym i turbulentnym 

Z  nowszych  badań  wiadomo,  że  tzw.  dolna  albo  niższa  krytyczna  wartość  liczby 

Reynoldsa dla przewodów o przekroju kołowym wynosi: 

1

k

v d

Re

2320

=

=

ν

 

(8.4) 

Istnieje  również  druga  wartość  liczby  Reynoldsa,  nazwana  górną  albo  wyższą 

wartością krytyczną liczby, Reynoldsa, którą zazwyczaj przyjmuje się równą: 

2

k

Re

50000

=

 

(8.5) 

background image

Klasyczne doświadczenia Reynoldsa 

download: http://www.mech.pk.edu.pl/~m52/pdf/[8_opis].pdf 

Na podstawie wyników szeregu badań doświadczalnych można stwierdzić, że: 

1)  dla liczb Re < 2320 jedyną stateczną formą ruchu płynu lepkiego jest przepływ laminarny, 

2)  przy  wartościach  liczb  Reynoldsa  zawartych  w  przedziale  2320  <  Re < 50000  możliwe 

jest  istnienie  zarówno  ruchu  laminarnego,  jak  również  burzliwego.  W  tym  przedziale 

wartości  Re  ruch  laminarny  jest  niestatateczny.  Charakter  ruchu  jest  uzależniony  od 

szeregu  przyczyn  dodatkowych,  np.  drgania  przewodu,  kształtu  wejścia  do  przewodu 

(ostre krawędzie) wysokości nierówności ścian (chropowatość ścian przewodu), 

3)  dla przepływów, w których Re > 50000 jedyną formą ruchu jest ruch burzliwy. 

Wobec  faktów  wymienionych  w  kpt.  2  w  obliczeniach  za  granicę  przejścia  ruchu 

laminarnego w burzliwy przyjmować będziemy - dla przewodów kołowych – Re

k1

 = 2320. 

Poniżej podano orientacyjne wartości krytycznych liczb Re

k

 dla przepływów przez: 

a)  przewód o przekroju trójkątnym Re

k

 = 1800

÷

2000, 

b)  przewód o przekroju prostokątnym Re

k

 = 2000, 

c)  szczelinę pierścieniową Re

k

 = 1100, 

d)  zawory (w zależności od konstrukcji zaworu) Re

k

 = 20

÷

500, 

e)  kryzę normalną do pomiaru natężenia przepływu Re

k

 = 200. 

Mechanizm  powstawania  burzliwości  w  czasie  przepływu  cieczy  lepkiej  przez 

prostoosiowy przewód kołowy jest obecnie dokładnie zbadany [1]. Stan ruchu cieczy lepkiej, 

zwany  ruchem  burzliwym,  może  występować  w trzech  zasadniczo  różnych  postaciach.  Gdy 

średnia  prędkość  przepływu  przekroczy  wartość  graniczną,  powstają  w  bezpośrednim 

sąsiedztwie  ścian  drobne  zaburzenia  obejmujące  warstewkę  przyścienną,  która  zaczyna 

ulegać drobnym okresowym drganiom stanowiącym  istotę burzliwości, podczas gdy rdzenna 

część cieczy porusza się nadal ruchem laminarnym. Tę pierwszą fazę burzliwości nazywamy 

burzliwym  stanem  zaczątkowym.  W  miarę  jak  zwiększa  się  średnia  prędkość  przepływu, 

wzrasta grubość burzliwej warstwy przyściennej, a maleją wymiary rdzenia poruszającego się 

ruchem  laminarnym.  Gdy  średnia  prędkość  przepływu  osiągnie  tzw.  wartość  krytyczną  v

k

wymiary  laminarnego  rdzenia  maleją  do  zera  i  ruch  burzliwy  ogarnia  całą  masę  płynącej 

cieczy.  Ten  graniczny  stan  ruchu  nazwano  stanem  w  pełni  burzliwym.  Po  przekroczeniu 

krytycznej  wartości  liczby  Reynoldsa  Re

k

  obserwujemy  zjawisko  odwrotne  od 

zapoczątkowanego  stanu  burzliwego,  a  mianowicie  część  rdzenna  ciekłej  masy  porusza  się 

ruchem burzliwym, a cząstki zawarte w cienkiej warstwie przyściennej poruszają się ruchem 

laminarnym. Ten stan ruchu, nazywany burzliwym stanem końcowym, spotyka się najczęściej 

w technicznie ważnych zjawiskach przepływu cieczy przez przewody. 

background image

Klasyczne doświadczenia Reynoldsa 

download: http://www.mech.pk.edu.pl/~m52/pdf/[8_opis].pdf 

8.3.  Przebieg ćwiczenia 

 

Rys. 8.3. Schemat stanowiska pomiarowego 

 

Woda  z  sieci  wodociągowej  jest  doprowadzana  przewodem  (1)  do  zbiornika  (2). 

Nadmiar wody  jest odprowadzany przez przelew przewodem (3). Ze  zbiornika woda spływa 

rurą (4) przez rotametr (5) i zawór (6) do zlewu. W celu uwidocznienia charakteru przepływu 

do rury (4) doprowadza się barwnik ze zbiornika (7) przez przewód (8) i igłę (9). Termometr 

(10) służy do określenia temperatury wody w czasie pomiaru. 

Po napełnieniu  zbiornika  (2)  należy odkręcić  zawory  (6)  i  (11)  w  celu doprowadzenia 

barwnika, regulując przepływ zaworem (6) szukamy takiego wydatku, przy którym następuje 

przejście  od  ruchu  uwarstwionego  do  burzliwego.  Na  rotametrze  odczytujemy  natężenie 

przepływu wody.  Obliczamy średnią  prędkość przepływu  wody  w  rurze  (4).  Dla  odczytanej 

temperatury wody szukamy kinematycznego współczynnika lepkości w tablicach. Obliczamy 

liczbę Reynoldsa ze wzoru (8.3). 

8.4.  Literatura 

[1] Troskolański A. T.: Hydromechanika. WNT, Warszawa 1967, ss. 246 -259. 

[2] Prosnak W. J.: Mechanika płynów. PWN, Warszawa 1970, ss. 536 - 540. 

[3] Bukowski J.: Mechanika płynów. FWN, Warszawa 1970. 

[4] Wysocki J.: Mechanika płynów. PWN, Warszawa 1967, ss. 245 - 247. 

[5] Daily J. W., Harleman D. B. P.: Fluid Dynamics. A.W.P.C.I.R. Massachusetts, USA 1966, 

ss. 170 - 173.