Исследование течения ньютоновских жидкостей в круглых горизонтальных трубках при малых входных давлениях

Рассмотрены актуальные вопросы повышения гидродинамической эффективности, улучшения эксплуатационных и технических характеристик различных тепло- и массообменных аппаратов и устройств, а также обеспечения требуемого режима и условий течения жидкостей разной вязкости. К таким теплообменным устройствам относятся радиаторы, содержащие трубки для циркуляции теплоносителя. При решении указанных вопросов, помимо изучения характера течения различных жидкостей в круглых горизонтальных трубках (капиллярах), требуется определение условий, при которых течение жидкости в капиллярах и круглых трубках малого диаметра является ламинарным, и его можно описать уравнением Пуазейля. Представлены экспериментальные данные по определению расхода воды через горизонтальные круглые трубки различного диаметра. Определена зависимость объёмного расхода от перепада давления и показано, что радиус трубки и динамическая вязкость жидкости являются основными параметрами, определяющими характер течения жидкостей в горизонтальных трубках. Рассмотрено течение дистиллированной воды в трубках диаметрами 0,95; 1,6; 2,0 мм при избыточном давлении 0,266–4,000 кПа. Установлено, что зависимость объёмного расхода от избыточного давления остаётся линейной при использовании трубки диаметром 0,95 мм во всём указанном диапазоне давлений. Увеличение радиуса трубки повышает вероятность возникновения флуктуаций скорости течения и появления радиальной составляющей скорости – возникновения элементов турбулентной структуры потока жидкости. Режим течения воды в трубках диаметрами 1,6; 2,0 мм отклоняется от ламинарного характера при давлениях более 1,3 и 1,0 кПа соответственно. Зависимость объёмного расхода от давления остаётся линейной при течении в трубках диаметрами до 5–6 мм 40 % водного раствора хлорида кальция, трансформаторного, трансмиссионного и моторного масел с коэффициентами динамической вязкости 0,002–0,182 Па·с. Результаты исследований жидкостей различной вязкости приведены в виде номограммы зависимости отношения радиуса трубки в четвёртой степени к вязкости жидкости от радиуса трубки. Анализ описанной выше зависимости позволяет предсказать характер течения исследуемой жидкости при заданных значениях радиуса трубки и коэффициента динамической вязкости. Полученные результаты будут полезны при проектировании и эксплуатации различных теплообменных устройств, например, радиаторов с трубками для циркуляции теплоносителя.

1. Душина О. А., Молочников В. М., Паерелий А. А., Михеев Н. И., Леманов В. В. Структура потока за выступом в канале в условиях ламинарно-турбулентного перехода. Теплофизика и аэромеханика, 17(3), 349–361 (2010). https://doi.org/10.1134/S0869864310030030

2. Воларович М. П. Работы Пуазейля о течении жидкости в трубах. Известия Академии наук СССР. Серия физическая, 11(1), 7–18 (1947).

3. Фабер Т. Е. Гидроаэродинамика. Пер. с англ. под ред. А. А. Павельева. Постмаркет, Москва (2001).

4. Павельев А. А., Решмин А. И., Трифонов В. В. Влияние структуры начальных возмущений на режим установившегося течения в трубе. Известия РАН. Механика жидкости и газа, (6), 68–76 (2006).

5. Потапов А. Г. К вопросу о ламинарно-турбулентном переходе при течении вязких и вязкопластичных жидкостей в круглой трубе. Научно-технический сборник. Вести газовой науки, 15(4), 69–75 (2013).

6. Потапов А. Г. Ламинарно-турбулентный переход при течении ньютоновских и неньютоновских жидкостей в круглой трубе. Научно-технический сборник. Вести газовой науки, 26(2), 174–182 (2016).

7. Потапов А. Г. Кризис ламинарного течения неньютоновской жидкости в круглой трубе. Инженерно-физический журнал, 91(6), 1537–1543 (2018).

8. Павельев А. А., Решмин А. И. Переход к турбулентности на начальном участке круглой трубы. Известия РАН. Механика жидкости и газа, (4), 113–121 (2001).

9. Миллионщиков М. Д. Турбулентные течения в пристеночном слое и в трубах. Атомная энергия, 26(3), 207–220 (1970).

10. Bair S. Generalized Newtonian viscosity functions for hydrodynamic lubrication. Tribology International, 117, 15–23 (2018). https://doi.org/10.1016/j.triboint.2017.08.014

11. Severa L., Havlicek M., Kumbar V. Acta Universitatis Agriculturae et Silviculturae Mendelianae Brunensis, 57(4), 95–102 (2009). http://dx.doi.org/10.11118/actaun200957040095

12. Семихин В. И., Малюгин Р. В., Коровин Д. Д. Исследование формирования структуры течения в круглых горизонтальных трубках. Ползуновский вестник, (4), 95–99 (2020). https://doi.org/10.25712/astu.2072-8921.2020.04.018