Рисунок 2.8 – К определению давления с помощью пьезометра: р1>р2	При значениях р1>р2 давление в аппарате выше атмосферного (рисунок 2.8): . Величина pg ( z 2 - zx ) характеризует избыточное по отношению к атмосферному давление в емкости 1 (над жидкостью).
Рисунок 2.9 – К определению давления с помощью пьезометра: р1<р2	Если р1<р2,  давление в аппарате ниже атмосфер-ного: (рисунок 2.9), причем z 2 < z 1 . Данный прибор называют вакуумметром. На рисунках 2.8, 2.9 1 – емкость; 2 – пьезометри-ческая трубка.

Г идродинамика

Гидродинамика – наука, изучающая законы движения жидкостей и практическое их применение.

Режимы движения жидкостей

Чтобы правильно решить одну из основных задач практики гидравлики, т.е. определить величину гидравлических сопротивлений, необходимо составить ясное представление о механизме самого движения жидкости. При исследовании этого вопроса пришли к заключению о существовании двух различных режимов движения: ламинарного и турбулентного.

Ламинарный поток характеризуется тем, что каждая частица движется с постоянной скоростью параллельно оси потока (рису-
нок 2.10а), т.е. все частицы жидкости движутся в продольном направлении. Но это не означает, что в потоке полностью отсутствуют возмущения. В этом потоке инерционные силы, возникающие при возмущениях, малы по сравнению с силами вязкости. Мерой отношения этих двух родов сил является критерий Рейнольдса. Большие силы вязкости гасят возмущения. Однако по мере роста скорости силы инерции все больше превышают силы вязкости, критерий Рейнольдса растет.

Наконец, при каком-то критическом значении критерия Рейнольдса (в круглой трубе оно равно приблизительно 2300) вязкость уже не может гасить все возмущения. Вследствие случайных причин какая-то частица жидкости может «сойти со своего места» в потоке. При этом из-за неразрывности потока она будет «расталкивать» другие частицы, передавая им возмущение.

При дальнейшем росте критерия Рейнольдса ламинарное течение оказывается практически невозможным. Наличие хаотических пульсаций скорости, направленных в различные стороны, и определяет турбулентное течение.

В турбулентном потоке перенос количества движения в поперечном направлении происходит иначе, чем в ламинарном. Представим себе, что частица жидкости, движущаяся у оси потока и поэтому имеющая максимальную скорость, за счет турбулентной пульсации переместилась ближе к стенке. Не трудно понять, что при этом она перенесет с собой в эту периферийную часть потока большую скорость (точнее большее количество движения), которой она обладала. Навстречу же ей перемещаются частицы, обладающие малыми поступательными скоростями, что снижает среднюю скорость у оси. Таким образом, из-за турбулентных пульсаций происходит перемешивание «быстрых» (движущихся у оси) и «медленных» (периферийных) частиц, выравнивающее средние скорости в сечении (рисунок 2.10б).

а)	б)
Рисунок 2.10 – Профили скоростей в ламинарном (а) и турбулентном (б) потоках

Совершенно таким же образом турбулентное перемешивание выравнивает по поперечному сечению температуру и концентрации. Аналогично вышесказанному в таких случаях говорят о турбулентной диффузии и турбулентной теплопроводности. Это конвективные аналоги истинных (молекулярных) диффузии и теплопроводности. Однако картина распределения скоростей, температур и концентраций по поперечному сечению еще не полна. Частицы, подверженные турбулентным пульсациям скорости, дойти до стенки не могут, так как по мере приближения к ней турбулентные пульсации скорости затухают. В результате около стенки образуется тонкий слой, в котором конвективный перенос становится исчезающе малым, – это пограничный слой. Перенос осуществляется здесь в основном за счет молекулярных механизмов, непосредственно у твердой стенки скорость жидкости равна нулю.

Турбулентный режим движения в технологических аппаратах наиболее часто встречается не ламинарный, а турбулентный режим движения. В турбулентном потоке отдельно взятая частица жидкости движется по сложной криволинейной траектории. Поэтому скорость ее движения в данной точке в данный момент времени называют мгновенной скоростью. Любую мгновенную скорость можно разложить на составляющие (рисунок 2.11).

Графические изменения этих составляющих в зависимости от времени называют графиками пульсаций.

Рисунок 2.11 – Истинная w_x и осредненная

локальные скорости жидкости в турбулентном потоке

Поскольку мгновенная скорость  в данной точке не постоянна, а изменяется во времени, в гидродинамике для удобства исследования потока вводится понятие усредненной скорости, то есть средней скорости в данной точке за достаточно большой промежуток времени:

.

(2.23)

Усредненную скорость иногда называют средней местной скоростью.

Разность между истинным (w) и усредненным ( ) значениями мгновенной местной скорости называется пульсационной скоростью (w_x). Понятие усредненной скорости нельзя смешивать с понятием средней скорости, представляющей собой не среднюю по времени скорость в данной точке, а среднюю скорость для всего поперечного сечения.

В турбулентном потоке всегда наблюдается пульсация скоростей, вследствие чего между соседними слоями жидкости возникает обмен частицами, вызывающий непрерывное перемешивание жидкости. На рисунке 2.12 представлена схематизированная модель турбулентного потока.

По этой схеме у стенок образуется весьма тонкий слой, в котором скорость изменяется не скачкообразно, а непрерывно, и движение жидкости происходит по законам ламинарного режима.

1 – вязкий подслой; 2 – переходный (буферный) слой;
3 – полностью турбулентный слой; 4 – турбулентное ядро потока

Рисунок 2.12 – Модель структуры поперечного сечения
турбулентного потока

Основная часть потока (ядро), связанная с этим слоем, называемым вязким (или ламинарным) подслоем, короткой переходной зоной, движется турбулентно с почти одинаковой для всех частиц жидкости осредненной скоростью. Толщина этого подслоя обычно определяется долями миллиметра и зависит от величины Re. Однако, несмотря на малую толщину, вязкий подслой оказывает решающее влияние на интенсивность тепло- и массопереноса.