Ламінарний та турбулентний рух

Ламінарним рухом називають такий рух рідини, при якому її частинки рухаються вздовж паралельних траєкторій і не перемішуються. При ламінарному русі рідину можна представити як шари, які ковзають один відносно іншого. Якщо в реальну рідину, що рухається ламінарно, ввести кольоровий струмінь, то він збережеться без розмиття по всій довжині потоку. Тобто, частинки рідини (газу) при ламінарному русі не переходять з одного шару рідини в інший.

При збільшенні швидкості або поперечних розмірів потоку характер руху рідини може істотно змінитись. Виникає енергійне перемішування рідини, швидкість і тиск рідини або газу нерегулярно (хаотично) змінюються з часом. Такий рух називається турбулентним. Якщо в такий потік ввести кольоровий струмінь, то на певній відстані від місця введення пофарбована рідина рівномірно розподілиться по всьому перерізу потоку. Турбулентний рух зустрічається дуже часто у природі і техніці.

Виявляється, іноді можна з’ясувати характерні особливості руху рідини чи газу без розв’язування рівнянь руху, а шляхом підрахунків деяких комбінацій фізичних параметрів. Так, англійський вчений Рейнольдс встановив, що характер руху рідини (газу) – ламінарний чи турбулентний - залежить від безрозмірної величини:

,

де – густина рідини (або газу), – середня (по перерізу труби) швидкість потоку, - коефіцієнт в'язкості рідини, - характерний для поперечного перетину розмір. Величина називається числом Рейнольдса. При малих значеннях числа Рейнольдса спостерігається ламінарний рух. З деякого значення Re, яке називається критичним, рух набуває турбулентного характеру. Критичне значення становить близько 1000-2000. Число Рейнольдса залежить від відношення двох величин, які визначаються властивостями рідини, – густиною і коефіцієнтом в'язкості . Їх відношення називається кінематичною в'язкістю. Використовуючи кінематичну в'язкість, число Рейнольдса можна подати як:

.

Фізичний зміст числа Рейнольдса полягає в тому, що воно дорівнює відношенню енергії руху потоку до роботи сил внутрішнього тертя. Чим більше це відношення, тим меншу роль відіграють сили тертя при течії рідини.

Число Рейнольдса відіграє важливу роль при моделюванні потоків. Наприклад, щоб вивчити поведінку корабля в різних режимах руху, застосовують метод моделювання. В лабораторних умовах вивчають рух зменшеної моделі корабля. При цьому важливо забезпечити такі умови експериментів, щоб висновки, отримані за допомогою моделі, були справедливі і для повномасштабного об’єкта. Потрібно, щоб течія рідини в умовах моделювання була подібна до течії рідини в реальних умовах. Якщо обидві рідини – реальну і моделюючу - можна вважати нестисливими, то для забезпечення подібності створюють такі умови руху моделі, для яких число Рейнольдса таке ж саме, як в умовах руху реального корабля. При цьому, щоб не переходити до руху моделі при надто високих швидкостях потоку, слід обирати моделюючу рідину з меншим значенням кінематичної в’язкості. Метод моделювання застосовують також для літаків – зменшену модель випробовують у так званій аеродинамічній трубі.