Число рейнольдса как найти скорость

Текущая версия страницы пока не проверялась опытными участниками и может значительно отличаться от версии, проверенной 9 июня 2021 года; проверки требуют 7 правок.

Число́ Ре́йнольдса (), — безразмерная величина, характеризующая отношение инерционных сил к силам вязкого трения в вязких жидкостях и газах^[1].

Число Рейнольдса также является критерием подобия течения вязкой жидкости.

Например, для прямых гладких труб критическое значение критерия Рейнольдса , а движение жидкости при будет устойчивое ламинарное. Движение при условии становится турбулентным (также его называют неустойчивым турбулентным или переходным), а устойчивый турбулентный характер поток жидкости приобретет при ^[2]

Установлено английским физиком Осборном Рейнольдсом (1842—1912) в 1883 году.

Определение[править | править код]

Число Рейнольдса определяется следующими соотношениями:

где  — плотность среды, кг/м³;

 — характерная скорость, м/с;

 — гидравлический диаметр, м;

 — динамическая вязкость среды, Па·с или кг/(м·с);

 — кинематическая вязкость среды (), м²/с;

 — объёмный расход потока, м³/с;

 — площадь сечения канала, например, трубы, м².

Для каждого вида течения существует критическое число Рейнольдса, , как принято считать, определяет переход от ламинарного течения к турбулентному.

При течение происходит в ламинарном режиме, при возможно возникновение турбулентности.

Критическое значение числа Рейнольдса зависит от конкретного вида течения (например, течение в круглой трубе, обтекание шара и т. п.), различными возмущениями потока, такими как изменение направления и модуля вектора скорости потока, шероховатости стенок, близость местных сужений канала и др. Например, для течения (точнее, для стационарного изотермического потока) жидкости в прямой круглой трубе с очень гладкими стенками ^[3].

При значениях Re выше критического и до определённого предела наблюдается переходной (смешанный) режим течения жидкости, когда турбулентное течение более вероятно, но ламинарное в некоторых конкретных случаях тоже наблюдается — так называемая неустойчивая турбулентность. Числу в трубах соответствует переходной интервал 2300—10000; для примера с течением в тонких плёнках — интервал от 20—120 до 1600.

Для газов достигается при значительно бо́льших скоростях течения, чем у жидкостей, поскольку у вторых существенно больше кинематическая вязкость (в 10—15 раз).

Критерий назван в честь выдающегося английского физика Осборна Рейнольдса (1842—1912), автора многочисленных пионерских работ по гидродинамике.

Акустическое число Рейнольдса[править | править код]

В акустике пользуются числом Рейнольдса для количественной характеристики соотношения нелинейных и диссипативных членов в уравнении, описывающем распространение волны конечной амплитуды^[4]. В этом случае число Рейнольдса принимает следующий вид:

где  — плотность среды, кг/м³;

 — амплитуда колебательной скорости, м/с;

 — круговая частота, рад/с;

 — скорость звука в среде, м/с;

 — параметр диссипации.

Физический смысл[править | править код]

Число Рейнольдса есть мера отношения сил инерции, действующих в потоке, к силам вязкости. Плотность в числителе выражения характеризует инерцию частиц, претерпевающих ускорение, а величина вязкости в знаменателе характеризует склонность жидкости препятствовать такому ускорению.

Также число Рейнольдса можно рассматривать как отношение кинетической энергии жидкости к потерям энергии на характерной длине (ввиду внутреннего трения).

Если у потока число Рейнольдса многократно превышает критическое, то жидкость можно рассматривать как идеальную. В таком случае вязкостью жидкости можно пренебречь, так как толщина пограничного слоя мала по сравнению с характерным размером процесса, то есть силы вязкого трения существенны только в тонком слое, в потоке не наблюдается развитая турбулентность.

Примечания[править | править код]

Литература[править | править код]

• Касаткин А. Г. Основные процессы и аппараты химической технологии. Изд. 8-е. Химия: Москва, 1971; с. 42 − 43; 118.
• Дытнерский Ю. И. Процессы и аппараты химической технологии. Часть 1. Теоретические основы процессов химической технологии. — М.: Химия, 1995. — 400 с. — 6500 экз. — ISBN 5-7245-1006-5.

Содержание

• 1 Калькулятор для расчета Re онлайн
  • 1.1 Расчет по общей формуле
  • 1.2 Расчет Re для воды
  • 1.3 Расчет Re для воздуха
• 2 Формула
• 3 Физический смысл
• 4 Режимы течения
• 5 Критическое значение
• 6 Размерность
• 7 Течение в трубе

Калькулятор для расчета Re онлайн

Расчет по общей формуле

Расчет Re для воды

Расчет Re для воздуха

Формула

Расчетная формула числа Рейнольдса Re в общем виде:

где  — плотность среды, кг/м³;

 — характерная скорость, м/с;

 — гидравлический диаметр, м;

 — динамическая вязкость среды, Па·с или кг/(м·с);

 — кинематическая вязкость среды (), м²/с;

 — объёмный расход потока, м³/с;

 — площадь сечения канала, например, трубы, м².

Для труб круглого сечения расчетная формула числа Рейнольдса Re будет:

Физический смысл

Физический смысл – число Рейнольдса Re характеризует смену режимов течения от ламинарного к турбулентному. Re является критерием подобия течения вязкой жидкости. 

Критерий назван в честь выдающегося английского физика Осборна Рейнольдса (1842—1912).

В настоящее время не существует строгого научно доказанного объяснения этому явлению, однако наиболее достоверной гипотезой считается следующая: смена режимов движения жидкости определяется отношением сил инерции к силам вязкости в потоке жидкости. Если преобладают первые, то режим движения турбулентный, если вторые – ламинарный.

Режимы течения

Режим течения в динамическом пограничном слое зависит от числа Рейнольдса Re и может быть:

1. Ламинарный режим – слоистое течение без перемешивания частиц жидкости и без пульсации скорости и давления, все линии тока направлены параллельно.
2. Турбулентный режим – течение, сопровождающееся интенсивным перемешиванием жидкости с пульсациями скоростей и давлений, наряду с основным продольным перемещением жидкости наблюдаются поперечные перемещения и вращательные движения отдельных объемов жидкости.

Критическое значение

Переход к турбулентному режиму течения жидкости в пограничном слое определяется критическим значением числа Рейнольдса. Это обусловлено тем, что при возрастании скорости, участвующей в расчете числа Re, его значение растет.
Таким образом, переход от ламинарного режима к турбулентному наблюдается при определенной скорости движения жидкости. Эта скорость называется критической Vкр.

Значение критического числа Re для различных элементов гидропривода

Размерность

Числе Re не имеет единиц измерения. Re является безразмерным критерием подобия течения вязкой жидкости. 

Течение в трубе

При ламинарном течении жидкости в прямой трубе или канале постоянного сечения все линии тока направлены параллельно оси трубы, при этом отсутствуют поперечные перемещения частиц жидкости.

При турбулентном течении в канале наряду с основным продольным перемещением жидкости в трубе наблюдаются поперечные перемещения и вращательные движения отдельных объемов жидкости.

Зависимость режима течения от значения числа Re в гладких трубах:

• <2100 – Ламинарный режим
• 2100 – 2300 – Переходный режим
• >2300 – Турбулентный режим

Обычно предполагается, что при числе Re выше 2300 образуется турбулентный режим.

Тем не менее, при значениях Re выше критического и до определённого предела наблюдается переходной (смешанный) режим течения жидкости, когда турбулентное течение более вероятно, но ламинарное в некоторых конкретных случаях тоже наблюдается — так называемая неустойчивая турбулентность. В трубах такой переходный интервал может достигать вплоть до Re = 2300—10 000.

In fluid mechanics, the Reynolds number (Re) is a dimensionless quantity that helps predict fluid flow patterns in different situations by measuring the ratio between inertial and viscous forces. At low Reynolds numbers, flows tend to be dominated by laminar (sheet-like) flow, while at high Reynolds numbers, flows tend to be turbulent. The turbulence results from differences in the fluid’s speed and direction, which may sometimes intersect or even move counter to the overall direction of the flow (eddy currents). These eddy currents begin to churn the flow, using up energy in the process, which for liquids increases the chances of cavitation.

The Reynolds number has wide applications, ranging from liquid flow in a pipe to the passage of air over an aircraft wing. It is used to predict the transition from laminar to turbulent flow and is used in the scaling of similar but different-sized flow situations, such as between an aircraft model in a wind tunnel and the full-size version. The predictions of the onset of turbulence and the ability to calculate scaling effects can be used to help predict fluid behavior on a larger scale, such as in local or global air or water movement, and thereby the associated meteorological and climatological effects.

The concept was introduced by George Stokes in 1851,^[2] but the Reynolds number was named by Arnold Sommerfeld in 1908^[3] after Osborne Reynolds (1842–1912), who popularized its use in 1883.^[4][5]

Definition[edit]

The Reynolds number is the ratio of inertial forces to viscous forces within a fluid that is subjected to relative internal movement due to different fluid velocities. A region where these forces change behavior is known as a boundary layer, such as the bounding surface in the interior of a pipe. A similar effect is created by the introduction of a stream of high-velocity fluid into a low-velocity fluid, such as the hot gases emitted from a flame in air. This relative movement generates fluid friction, which is a factor in developing turbulent flow. Counteracting this effect is the viscosity of the fluid, which tends to inhibit turbulence. The Reynolds number quantifies the relative importance of these two types of forces for given flow conditions, and is a guide to when turbulent flow will occur in a particular situation.^[6]

This ability to predict the onset of turbulent flow is an important design tool for equipment such as piping systems or aircraft wings, but the Reynolds number is also used in scaling of fluid dynamics problems and is used to determine dynamic similitude between two different cases of fluid flow, such as between a model aircraft, and its full-size version. Such scaling is not linear and the application of Reynolds numbers to both situations allows scaling factors to be developed.

With respect to laminar and turbulent flow regimes:

• laminar flow occurs at low Reynolds numbers, where viscous forces are dominant, and is characterized by smooth, constant fluid motion;
• turbulent flow occurs at high Reynolds numbers and is dominated by inertial forces, which tend to produce chaotic eddies, vortices and other flow instabilities.^[7]

The Reynolds number is defined as^[3]

where:

• ρ is the density of the fluid (SI units: kg/m³)
• u is the flow speed (m/s)
• L is a characteristic linear dimension (m) (see the below sections of this article for examples)
• μ is the dynamic viscosity of the fluid (Pa·s or N·s/m² or kg/(m·s))
• ν is the kinematic viscosity of the fluid (m²/s).

The Reynolds number can be defined for several different situations where a fluid is in relative motion to a surface.^{[n 1]} These definitions generally include the fluid properties of density and viscosity, plus a velocity and a characteristic length or characteristic dimension (L in the above equation). This dimension is a matter of convention – for example radius and diameter are equally valid to describe spheres or circles, but one is chosen by convention. For aircraft or ships, the length or width can be used. For flow in a pipe, or for a sphere moving in a fluid, the internal diameter is generally used today. Other shapes such as rectangular pipes or non-spherical objects have an equivalent diameter defined. For fluids of variable density such as compressible gases or fluids of variable viscosity such as non-Newtonian fluids, special rules apply. The velocity may also be a matter of convention in some circumstances, notably stirred vessels.

In practice, matching the Reynolds number is not on its own sufficient to guarantee similitude. Fluid flow is generally chaotic, and very small changes to shape and surface roughness of bounding surfaces can result in very different flows. Nevertheless, Reynolds numbers are a very important guide and are widely used.

History[edit]

Osborne Reynolds famously studied the conditions in which the flow of fluid in pipes transitioned from laminar flow to turbulent flow.
In his 1883 paper Reynolds described the transition from laminar to turbulent flow in a classic experiment in which he examined the behaviour of water flow under different flow velocities using a small stream of dyed water introduced into the centre of clear water flow in a larger pipe.

The larger pipe was glass so the behaviour of the layer of the dyed stream could be observed. At the end of this pipe, there was a flow control valve used to vary the water velocity inside the tube. When the velocity was low, the dyed layer remained distinct throughout the entire length of the large tube. When the velocity was increased, the layer broke up at a given point and diffused throughout the fluid’s cross-section. The point at which this happened was the transition point from laminar to turbulent flow.

From these experiments came the dimensionless Reynolds number for dynamic similarity—the ratio of inertial forces to viscous forces. Reynolds also proposed what is now known as the Reynolds averaging of turbulent flows, where quantities such as velocity are expressed as the sum of mean and fluctuating components. Such averaging allows for ‘bulk’ description of turbulent flow, for example using the Reynolds-averaged Navier–Stokes equations.

Flow in a pipe[edit]

For flow in a pipe or tube, the Reynolds number is generally defined as^[8]

where

• D_H is the hydraulic diameter of the pipe (the inside diameter if the pipe is circular) (m),
• Q is the volumetric flow rate (m³/s),
• A is the pipe’s cross-sectional area (A = πD²/4) (m²),
• u is the mean velocity of the fluid (m/s),
• μ (mu) is the dynamic viscosity of the fluid (Pa·s = N·s/m² = kg/(m·s)),
• ν (nu) is the kinematic viscosity (ν = μ/ρ) (m²/s),
• ρ (rho) is the density of the fluid (kg/m³),
• W is the mass flowrate of the fluid (kg/s).

For shapes such as squares, rectangular or annular ducts where the height and width are comparable, the characteristic dimension for internal-flow situations is taken to be the hydraulic diameter, D_H, defined as

where A is the cross-sectional area, and P is the wetted perimeter. The wetted perimeter for a channel is the total perimeter of all channel walls that are in contact with the flow.^[9] This means that the length of the channel exposed to air is not included in the wetted perimeter.

For a circular pipe, the hydraulic diameter is exactly equal to the inside pipe diameter:

For an annular duct, such as the outer channel in a tube-in-tube heat exchanger, the hydraulic diameter can be shown algebraically to reduce to

where

• D_o is the inside diameter of the outer pipe,
• D_i is the outside diameter of the inner pipe.

For calculation involving flow in non-circular ducts, the hydraulic diameter can be substituted for the diameter of a circular duct, with reasonable accuracy, if the aspect ratio AR of the duct cross-section remains in the range 1/4 < AR < 4.^[10]

Laminar–turbulent transition[edit]

In boundary layer flow over a flat plate, experiments confirm that, after a certain length of flow, a laminar boundary layer will become unstable and turbulent. This instability occurs across different scales and with different fluids, usually when Re_x ≈ 5×10⁵,^[11] where x is the distance from the leading edge of the flat plate, and the flow velocity is the freestream velocity of the fluid outside the boundary layer.

For flow in a pipe of diameter D, experimental observations show that for “fully developed” flow,^{[n 2]} laminar flow occurs when Re_D < 2300 and turbulent flow occurs when Re_D > 2900.^[12][13] At the lower end of this range, a continuous turbulent-flow will form, but only at a very long distance from the inlet of the pipe. The flow in between will begin to transition from laminar to turbulent and then back to laminar at irregular intervals, called intermittent flow. This is due to the different speeds and conditions of the fluid in different areas of the pipe’s cross-section, depending on other factors such as pipe roughness and flow uniformity. Laminar flow tends to dominate in the fast-moving center of the pipe while slower-moving turbulent flow dominates near the wall. As the Reynolds number increases, the continuous turbulent-flow moves closer to the inlet and the intermittency in between increases, until the flow becomes fully turbulent at Re_D > 2900.^[12] This result is generalized to non-circular channels using the hydraulic diameter, allowing a transition Reynolds number to be calculated for other shapes of channel.^[12]

These transition Reynolds numbers are also called critical Reynolds numbers, and were studied by Osborne Reynolds around 1895.^[5] The critical Reynolds number is different for every geometry.^[14]

Flow in a wide duct[edit]

For a fluid moving between two plane parallel surfaces—where the width is much greater than the space between the plates—then the characteristic dimension is equal to the distance between the plates.^[15] This is consistent with the annular duct and rectangular duct cases above, taken to a limiting aspect ratio.

Flow in an open channel[edit]

For calculating the flow of liquid with a free surface, the hydraulic radius must be determined. This is the cross-sectional area of the channel divided by the wetted perimeter. For a semi-circular channel, it is a quarter of the diameter (in case of full pipe flow). For a rectangular channel, the hydraulic radius is the cross-sectional area divided by the wetted perimeter. Some texts then use a characteristic dimension that is four times the hydraulic radius, chosen because it gives the same value of Re for the onset of turbulence as in pipe flow,^[16] while others use the hydraulic radius as the characteristic length-scale with consequently different values of Re for transition and turbulent flow.

Flow around airfoils[edit]

Reynolds numbers are used in airfoil design to (among other things) manage “scale effect” when computing/comparing characteristics (a tiny wing, scaled to be huge, will perform differently).^[17] Fluid dynamicists define the chord Reynolds number R = Vc/ν, where V is the flight speed, c is the chord length, and ν is the kinematic viscosity of the fluid in which the airfoil operates, which is 1.460×10⁻⁵ m²/s for the atmosphere at sea level.^[18] In some special studies a characteristic length other than chord may be used; rare is the “span Reynolds number”, which is not to be confused with span-wise stations on a wing, where chord is still used.^[19]

Object in a fluid[edit]

The Reynolds number for an object moving in a fluid, called the particle Reynolds number and often denoted Re_p, characterizes the nature of the surrounding flow and its fall velocity.

In viscous fluids[edit]

Where the viscosity is naturally high, such as polymer solutions and polymer melts, flow is normally laminar. The Reynolds number is very small and Stokes’ law can be used to measure the viscosity of the fluid. Spheres are allowed to fall through the fluid and they reach the terminal velocity quickly, from which the viscosity can be determined.

The laminar flow of polymer solutions is exploited by animals such as fish and dolphins, who exude viscous solutions from their skin to aid flow over their bodies while swimming. It has been used in yacht racing by owners who want to gain a speed advantage by pumping a polymer solution such as low molecular weight polyoxyethylene in water, over the wetted surface of the hull.

It is, however, a problem for mixing polymers, because turbulence is needed to distribute fine filler (for example) through the material. Inventions such as the “cavity transfer mixer” have been developed to produce multiple folds into a moving melt so as to improve mixing efficiency. The device can be fitted onto extruders to aid mixing.

Sphere in a fluid[edit]

For a sphere in a fluid, the characteristic length-scale is the diameter of the sphere and the characteristic velocity is that of the sphere relative to the fluid some distance away from the sphere, such that the motion of the sphere does not disturb that reference parcel of fluid. The density and viscosity are those belonging to the fluid.^[20] Note that purely laminar flow only exists up to Re = 10 under this definition.

Under the condition of low Re, the relationship between force and speed of motion is given by Stokes’ law.^[21]

At higher Reynolds numbers the drag on a sphere depends on surface roughness. Thus, for example, adding dimples on the surface of a golf ball causes the boundary layer on the upstream side of the ball to transition from laminar to turbulent. The turbulent boundary layer is able to remain attached to the surface of the ball much longer than a laminar boundary and so creates a narrower low-pressure wake and hence less pressure drag. The reduction in pressure drag causes the ball to travel further.^[22]

Rectangular object in a fluid[edit]

The equation for a rectangular object is identical to that of a sphere, with the object being approximated as an ellipsoid and the axis of length being chosen as the characteristic length scale. Such considerations are important in natural streams, for example, where there are few perfectly spherical grains. For grains in which measurement of each axis is impractical, sieve diameters are used instead as the characteristic particle length-scale. Both approximations alter the values of the critical Reynolds number.

Fall velocity[edit]

The particle Reynolds number is important in determining the fall velocity of a particle. When the particle Reynolds number indicates laminar flow, Stokes’ law can be used to calculate its fall velocity or settling velocity. When the particle Reynolds number indicates turbulent flow, a turbulent drag law must be constructed to model the appropriate settling velocity.

Packed bed[edit]

For fluid flow through a bed, of approximately spherical particles of diameter D in contact, if the voidage is ε and the superficial velocity is v_s, the Reynolds number can be defined as^[23]

or

or

The choice of equation depends on the system involved: the first is successful in correlating the data for various types of packed and fluidized beds, the second Reynolds number suits for the liquid-phase data, while the third was found successful in correlating the fluidized bed data, being first introduced for liquid fluidized bed system.^[23]

Laminar conditions apply up to Re = 10, fully turbulent from Re = 2000.^[20]

Stirred vessel[edit]

In a cylindrical vessel stirred by a central rotating paddle, turbine or propeller, the characteristic dimension is the diameter of the agitator D. The velocity V is ND where N is the rotational speed in rad per second. Then the Reynolds number is:

The system is fully turbulent for values of Re above 10000.^[24]

Pipe friction[edit]

Pressure drops^[25] seen for fully developed flow of fluids through pipes can be predicted using the Moody diagram which plots the Darcy–Weisbach friction factor f against Reynolds number Re and relative roughness ε/D. The diagram clearly shows the laminar, transition, and turbulent flow regimes as Reynolds number increases. The nature of pipe flow is strongly dependent on whether the flow is laminar or turbulent.

Similarity of flows[edit]

In order for two flows to be similar, they must have the same geometry and equal Reynolds and Euler numbers. When comparing fluid behavior at corresponding points in a model and a full-scale flow, the following holds:

where is the Reynolds number for the model, and is full-scale Reynolds number, and similarly for the Euler numbers.

The model numbers and design numbers should be in the same proportion, hence

This allows engineers to perform experiments with reduced scale models in water channels or wind tunnels and correlate the data to the actual flows, saving on costs during experimentation and on lab time. Note that true dynamic similitude may require matching other dimensionless numbers as well, such as the Mach number used in compressible flows, or the Froude number that governs open-channel flows. Some flows involve more dimensionless parameters than can be practically satisfied with the available apparatus and fluids, so one is forced to decide which parameters are most important. For experimental flow modeling to be useful, it requires a fair amount of experience and judgment of the engineer.

An example where the mere Reynolds number is not sufficient for the similarity of flows (or even the flow regime – laminar or turbulent) are bounded flows, i.e. flows that are restricted by walls or other boundaries. A classical example of this is the Taylor–Couette flow, where the dimensionless ratio of radii of bounding cylinders is also important, and many technical applications where these distinctions play an important role.^[26][27] Principles of these restrictions were developed by Maurice Marie Alfred Couette and Geoffrey Ingram Taylor and developed further by Floris Takens and David Ruelle.

Typical values of Reynolds number^[28][29]

• Bacterium ~ 1 × 10⁻⁴
• Ciliate ~ 1 × 10⁻¹
• Smallest fish ~ 1
• Blood flow in brain ~ 1 × 10²
• Blood flow in aorta ~ 1 × 10³
• Onset of turbulent flow ~ 2.3 × 10³ to 5.0 × 10⁴ for pipe flow to 10⁶ for boundary layers
• Typical pitch in Major League Baseball ~ 2 × 10⁵
• Person swimming ~ 4 × 10⁶
• Fastest fish ~ 1 × 10⁸
• Blue whale ~ 4 × 10⁸
• A large ship (Queen Elizabeth 2) ~ 5 × 10⁹
• Atmospheric tropical cyclone ~ 1 x 10¹²

Smallest scales of turbulent motion[edit]

In a turbulent flow, there is a range of scales of the time-varying fluid motion. The size of the largest scales of fluid motion (sometimes called eddies) are set by the overall geometry of the flow. For instance, in an industrial smoke stack, the largest scales of fluid motion are as big as the diameter of the stack itself. The size of the smallest scales is set by the Reynolds number. As the Reynolds number increases, smaller and smaller scales of the flow are visible. In a smokestack, the smoke may appear to have many very small velocity perturbations or eddies, in addition to large bulky eddies. In this sense, the Reynolds number is an indicator of the range of scales in the flow. The higher the Reynolds number, the greater the range of scales. The largest eddies will always be the same size; the smallest eddies are determined by the Reynolds number.

What is the explanation for this phenomenon? A large Reynolds number indicates that viscous forces are not important at large scales of the flow. With a strong predominance of inertial forces over viscous forces, the largest scales of fluid motion are undamped—there is not enough viscosity to dissipate their motions. The kinetic energy must “cascade” from these large scales to progressively smaller scales until a level is reached for which the scale is small enough for viscosity to become important (that is, viscous forces become of the order of inertial ones). It is at these small scales where the dissipation of energy by viscous action finally takes place. The Reynolds number indicates at what scale this viscous dissipation occurs.

In physiology[edit]

Poiseuille’s law on blood circulation in the body is dependent on laminar flow.^[30] In turbulent flow the flow rate is proportional to the square root of the pressure gradient, as opposed to its direct proportionality to pressure gradient in laminar flow.

Using the definition of the Reynolds number we can see that a large diameter with rapid flow, where the density of the blood is high, tends towards turbulence. Rapid changes in vessel diameter may lead to turbulent flow, for instance when a narrower vessel widens to a larger one. Furthermore, a bulge of atheroma may be the cause of turbulent flow, where audible turbulence may be detected with a stethoscope.

Complex systems[edit]

Reynolds number interpretation has been extended into the area of arbitrary complex systems. Such as financial flows,^[31] nonlinear networks,^{[citation needed]} etc. In the latter case, an artificial viscosity is reduced to a nonlinear mechanism of energy distribution in complex network media. Reynolds number then represents a basic control parameter which expresses a balance between injected and dissipated energy flows for an open boundary system. It has been shown that Reynolds critical regime separates two types of phase space motion: accelerator (attractor) and decelerator.^[32] High Reynolds number leads to a chaotic regime transition only in frame of strange attractor model.

Derivation[edit]

The Reynolds number can be obtained when one uses the nondimensional form of the incompressible Navier–Stokes equations for a newtonian fluid expressed in terms of the Lagrangian derivative:

Each term in the above equation has the units of a “body force” (force per unit volume) with the same dimensions of a density times an acceleration. Each term is thus dependent on the exact measurements of a flow. When one renders the equation nondimensional, that is when we multiply it by a factor with inverse units of the base equation, we obtain a form that does not depend directly on the physical sizes. One possible way to obtain a nondimensional equation is to multiply the whole equation by the factor

where

• V is the mean velocity, v or v, relative to the fluid (m/s),
• L is the characteristic length (m),
• ρ is the fluid density (kg/m³).

If we now set

we can rewrite the Navier–Stokes equation without dimensions:

where the term μ/ρLV = 1/Re.

Finally, dropping the primes for ease of reading:

This is why mathematically all Newtonian, incompressible flows with the same Reynolds number are comparable. Notice also that in the above equation, the viscous terms vanish for Re → ∞. Thus flows with high Reynolds numbers are approximately inviscid in the free stream.

Relationship to other dimensionless parameters[edit]

There are many dimensionless numbers in fluid mechanics. The Reynolds number measures the ratio of advection and diffusion effects on structures in the velocity field, and is therefore closely related to Péclet numbers, which measure the ratio of these effects on other fields carried by the flow, for example, temperature and magnetic fields. Replacement of the kinematic viscosity ν = μ/ρ in Re by the thermal or magnetic diffusivity results in respectively the thermal Péclet number and the magnetic Reynolds number. These are therefore related to Re by-products with ratios of diffusivities, namely the Prandtl number and magnetic Prandtl number.

See also[edit]

• Reynolds transport theorem – 3D generalization of the Leibniz integral rule
• Drag coefficient – Dimensionless parameter to quantify fluid resistance
• Deposition (geology) – Geological process in which sediments, soil and rocks are added to a landform or landmass
• Kelvin–Helmholtz instability

References[edit]

Footnotes[edit]

Citations[edit]

Sources[edit]

Further reading[edit]

External links[edit]

• The Reynolds number – The Feynman Lectures on Physics
• The Reynolds Number at Sixty Symbols
• Reynolds mini-biography and picture of original apparatus at Manchester University.

Число Рейнольдса —

безразмерная величина, характеризующая отношение инерционных сил к силам вязкого трения в вязких жидкостях и газах.

Число Рейнольдса также является критерием подобия течения вязкой жидкости.

Общие сведения

Число Рейнольдса обозначается в физике и инженерных расчетах — Re. Широко применяется при гидравлических и аэродинамических расчетах различных систем.

Число Рейнольдса служит для определения (является критериям) режима движения среды (жидкости или газа) в системе.

Различают несколько режимов движения жидкостей и газа:

• • ламинарный;
  • смешанный (иногда встречается, как критический);
  • турбулентный.

Критерием перехода из одного режима в другой служит критическое значения числа Рейнольдса — Re_кр. В расчетах обычно считается, что при Re<Re_кр течение происходит в ламинарном режиме, а при Re>Re_кр возможно возникновение турбулентности. Смешанный режим обычно относят к турбулентному режиму, как неустойчивая турбулентность.

Для систем трубопроводов с круглыми трубами с очень гладкими стенками критическое значения числа Рейнольдса обычно принимается  Re_кр≈ 2100÷2300.

Критическое значения числа Рейнольдса зависит от:

• • от конкретного вида течения (например от формы сечения канала, обтекания шара и т. п.);
  • различных возмущений потока (вызывающих изменение направления и модуля вектора скорости потока, например любые местные сопротивления, шероховатости стенок и т.п.).

На основании числа Рейнольдса и исходя из режима движения жидкости или газа при гидравлическом и аэродинамическом расчете определяется коэффициент гидравлических потерь λ (коэффициент путевых потерь).

Существуют методики расчета числа Рейнольдса, учитывающие в себе все выше указанным зависимости. Например расчет числа Рейнольдса при гидравлическом расчете газопроводов согласно методике СП 42-101-2003, разбивает турбулентный режим движения газа на несколько под режимов учитывающих:

• • режим движения газа (включая смешанный/критический);
  • шероховатость стенки трубы.

Примеры использования числа Рейнольдса в расчетах

• • гидравлический расчет паропровода (калькулятор онлайн);
  • гидравлический расчет трубопровода горячей воды (калькулятор онлайн);
  • гидравлический расчет трубопровода СУГ (калькулятор онлайн);
  • гидравлический расчет газопровода природного газа (методика).

Формулы расчет числа Рейнольдса. Калькуляторы числа Рейнольдса онлайн.

Классическая формула расчета числа Рейнольдса

Re=(u*D)/υ,

где u — характерная скорость, м/с; D — гидравлический диаметр, м; υ — кинематическая вязкость среды, м²/с.

Формула расчета числа Рейнольдса через плотность

Re=(ρ*u*D)/η,

где ρ — плотность среды, кг/м³; u — характерная скорость, м/с; D — гидравлический диаметр, м; η — динамическая вязкость среды, Па·с или кг/(м·с).

Формула расчета числа Рейнольдса через объемный расход жидкости или газа

Re=(Q*D)/(υ*S),

где Q — объёмный расход потока, м³/с; D — гидравлический диаметр, м; υ — кинематическая вязкость среды, м²/с; S — площадь сечения канала (например: трубы, воздуховода и т.п), м².

Формула расчета числа Рейнольдса природного газа согласно методике СП 42-101-2003 (п.3.28)

Re=(0.0354*Q)/(d*υ),

где Q — объёмный расход газа при нормальных условиях, м³/ч; d — внутренний диаметр газопровода, см; υ — кинематическая вязкость среды, м²/с.

Справочные данные для расчета числа Рейнольдса (плотность и вязкость некоторых веществ)

В случае отсутствия нужного вещества или отсутствие данных по выбранному веществу (значение равно «0», «-«), можно указать в комментариях наименование вещества и рекомендуемый источник информации с физическими свойствами.

Видеоматериал по теме «Число Рейнольдса»

Историческая справка

Число названо в честь Осборна Рейнольдса.  Экспериментально установил (1876—1883 гг.) критерий (число Рейнольдса) перехода ламинарного режима движения жидкости, текущей в цилиндрической трубе, в турбулентный режим.

Поделиться ссылкой:

Число Рейнольдса

Движение жидкости, несмотря на кажущуюся на первый взгляд, беспорядочность движения имеет определенные закономерности. Рейнольдс в своих опытах нашел определенные общие условия, при которых возможно существование того или иного режима течения и переход от одного режима к другому.

При проведении опытов Рейнольдс в 1883г. подтвердил существование двух режимов течения жидкости. Ему удалось вычислить безразмерное число, описывающее характер потока вязкой жидкости

Опыты Рейнольдса

Эксперименты О.Рейнольдса показали, что при движении жидкости , последняя теряет определенное количество энергии. Эти потери зависят от особенностей движения частиц жидкости в потоке и от самого режима течения.

Опыты проводились на специальном лабораторном стенде, который представлял собой заполненный водой бак Б к которому в нижней части присоединена стеклянная трубка Т. На конце трубки установлен кран К для регулирования расхода жидкости. Расход измеряется с помощью секундомера и мерного бочка М. Бак Б постоянно заполняется водой. Над баком Б расположена ёмкость с краской С. По тонкой трубочке Т1 краска попадает в жидкость, движущуюся в трубке Т. Подачу краски регулирует кран Р.

Опыт №1. Немного приоткрываем кран К. При этом в трубке Т начинается движение жидкости. Открываем кран Р и добавляем в жидкость краску. При небольшой скорости движения в трубке Т краска становится прямолинейной и резко выделяющейся в потоке воды цветной струйкой. Эта струйка не перемешивается с остальной жидкостью. Если ввести в жидкость краску несколькими струйками, то они так и будут двигаться не перемешиваясь с остальной водой.

Движение жидкости, наблюдаемое при малых скоростях, при котором отдельные струйки жидкости движутся параллельно друг другу и оси потока, называют ламинарным (от латинского ламина – слой) или струйчатым движением (режимом). Ламинарное движение может рассматриваться как движение отдельных слоев жидкости, происходящее без перемешивания частиц. Подробнее о ламинарном режиме здесь.

Опыт №2 При намного большем открытии крана струйка краски начинает искривляться и становится волнообразной. Открывая кран ещё больше и увеличивая скорость потока мы увидим, что струйка краски распадается на отдельные вихри и перемешивается с остальной массой воды

Движение жидкости, которое наблюдается при больших скоростях, называется турбулентным (по латински турбулентус – вихревой) движением (режимом). В этом случае в движении жидкости нет видимой закономерности. Отдельные частицы перемешиваются между собой и движутся по самым причудливым, все время меняющимся траекториям весьма сложной формы. Поэтому такое движение называется беспорядочным. Подробнее о турбулентном режиме здесь.

Вывод формулы

Рейнольдс установил, что основными факторами, определяющими характер режима являются:
  средняя скорость движения жидкости υ,
  диаметр трубопровода d,
  плотность жидкости ρ,
  абсолютная вязкость жидкости μ

При этом чем больше размеры поперечного сечения и плотность жидкости и чем меньше её вязкость, тем легче при увеличении скорости осуществить турбулентный режим.

Для характеристики режима движения жидкости Рейнольдсом был выведен безразмерный параметр Re, учитывающий влияние перечисленных выше факторов, называемый число Рейнольдса. Таким образом формула

Re = υ*d* ρ / μ

Поскольку μ / ρ = ν , где ν – кинематическая вязкость жидкости, то формула меняет вид на

Re = υ*d / ν

Число Рейнольдса и режимы течения.

Границы существования того или иного режима движения жидкости определяются двумя критическими значениями числа Рейнольдса:
нижнее критическое числом Рейнольдса Re_{кр. н.}
верхнее критическое числом Рейнольдса Re_{кр. в.}

Значение скорости, соответствующее этим значениям Re называют критическими.

При значениях числа Рейнольдса Re < Re_{кр. н.} возможен только ламинарный режим, а при значении Re > Re_{кр. в.} – только турбулентный. При Re_{кр. н.} < Re < Re_{кр. в.} Наблюдается неустойчивое состояние потока. Таким образом, для определения характера режима необходимо в каждом отдельном случае вычислить число Рейнольдса и сопоставить его с критическими значениями этого числа.

В опытах самого известного физика значение числа Рейнольдса Reкр. было следующим:
  Re_{кр. н.} = 2000
  Re_{кр. в.} = 12 000.

Многие эксперименты, проведенные в последствии показали, что критические числа Рейнольдса не являются постоянными величинами и что в действительности при известных условиях неустойчивая зона может оказаться значительно шире.

В настоящее время при практических расчетах обычно принято исходить только из одного критического значения числа Рейнольдса, принимаемого Re_кр =2300, считая, что при Re < 2300 всегда имеет место ламинарный, а при Re > 2300 – всегда турбулентный режимы.

При этом движении жидкости в неустойчивой зоне исключается из особого рассмотрения, это приводит к некоторому запасу и большей надежности в гидравлических расчетах в случае, если в этой зоне действительно имеет место ламинарный режим.

Без особого труда можно получить значения для Reкр для любой формы сечения, а не только круглой формы. Вспоминая, что при круглом сечении радиус

R = d / 4

получаем

d = 4*R

подставляем в формулу для определения числа Рейнольдса

Re = υ*4*R / ν

или

Re / 4 = υ*R / ν

Принимая для критического числа Рейнольдса независимо от формы живого сечения величину Re_кр. = 2300, находим, что для сечения любой формы критериев для сужения о характере режима движения является величина, равная 2300 / 4 = 575.

Таким образом, режим ламинарный если значение числа Рейнольдса

И режим турбулентный, если

Видео по теме.

На практике в большинстве случаев (движение воды в трубах, каналах, реках) приходится иметь дело с турбулентным режимом. Ламинарный режим встречается реже. Он наблюдается, например, при движении в трубах очень вязких жидкостей, что иногда имеет место в нефтепроводах, при движении жидкости в очень узких трубках и порах естественных грунтов.

Вместе со статьей “Число Рейнольдса: опыты, формулы и режимы.” читают: