Thực tế tồn tại 2 trạng thái chảy khác nhau của chất lỏng nhớt. Tùy theo trạng thái chảy mà cấu tạo dòng chảy, sự phân bố lưu tốc, phân bố ứng suất, tổn thất năng lượng… có những quy luật khác nhau. Năm 1883 nhà vậy lý người Anh Reynolds bằng thí nghiệm đã phát hiện sự khác biệt của hai trạng thái chảy đó và quan hệ chặt chẽ với tổn thất năng lượng của nó. Thí nghiệm Reynolds được trình bày một cách sơ lược như hình 1.12.
Một thùng A chứa nước nối với ống thủy tinh B có đường kính không đổi, ở đầu ra có khóa K để điều chỉnh lưu lượng. phía dưới chỗ ra của ống B đặt một thùng đo lưu lượng. phía trên thùng
A đặt bình đựng nước màu có m H
2O
(trọng lượng riêng) . Khi mở khóa K1
nước màu sẽ chảy theo ống C và chảy vào ống B.
Trình tự thí nghiệm như sau, trước hết giữ mực nước trong thùng A cố định để cho dòng chảy trong ống B là dừng. Sau đó mở từ từ khóa K, đợi vài phút cho dòng chảy vào ống B ổn định rồi mở khóa K1 cho nước màu chảy vào ống B. Khi vận tốc dòng chảy trong ống B còn nhỏ thì dòng màu không bị xáo trộn và quan sát thấy dòng màu thẳng như một sợi chỉ (hình 2.13.a). Tác giả gọi đó là trạng thái chảy tầng. Vậy trạng thái chảy trong đó các phần tử chất lỏng chuyển động theo những tầng lớp không xáo trộn vào nhau gọi là trạng thái chảy tầng.
Nếu mở thêm khóa K thì sợi chỉ màu còn giữ được một thời gian nữa. Khi mở khóa
K đến một mức độ nào đó thì sợi chỉ màu bị giao động thành hình sóng (hình 2.13.b). Tiếp tục tăng độ mở của khóa K vận tốc dòng chảy tăng lên thì sợi chỉ màu bị hòa lẫn hoàn toàn trong dòng nước (hình 2.13.c). Ứng với trạng thái này, Reynolds gọi là chảy
rối. Vậy trạng thái chảy rối là trạng thái chảy trong đó các phần tử chất lỏng chuyển động vô trật tự, hỗn loạn nhưng chuyển động theo phương dòng chảy.
Hình 2.13. Các trạng thái chảy trong thí nghiệm Reynolds a) Chảy tầng b) Chuyển tiếp c) Chảy rối
Thí nghiệm trên là thí nghiệm về sự chuyển biến từ trạng thái chảy tầng sang trạng thái chảy rối. Có thể làm thí nghiệm ngược lại, tức là chuyển từ trạng thái chảy rối sang chảy tầng bằng cách đóng dần khóa K lại.
Vận tốc ứng với lúc chuyển từ trạng thái chảy tầng sang trạng thái chảy rối là vận tốc phân giới trên ( vKtr
). Vận tốc ứng với lúc dòng chảy rối sang dòng chảy tầng là vận tốc phân giới dưới ( vKd ). Qua thực nghiệm thấy vKtr>vKd
.
Vận tốc phân giới phụ thuộc cả vào loại chất lỏng và đường kính ống làm thí nghiệm. Vì vậy, không thể dùng một vận tốc phân giới nhất định để phân biệt trạng thái dòng chảy. Qua nhiều thí nghiệm với các loại ống và loại chất lỏng khác nhau, Reynolds thấy trạng thái dòng chảy phụ thuộc vào một tổ hợp không thứ nguyên của các tham số, vận tốc trung bình v, đường kính ống d và hệ số nhớt của chất lỏng, và gọi là số Reynolds, Re:
Revd
(2-15)
Với lòng dẫn không tròn thì thay d=4R với R là bán kính thủy lực. Ứng với vKtr
,vKd
ta có số Reynolds phân giới trên và phân giới dưới:
ReKtr vKtr d
(2-16)
ReKd vKd d
Trạng thái ứng với Re<ReKtr
bao giờ cũng có chảy tầng. Trạng thái ứng vớiRe>ReKd
bao giờ cũng là chảy rối. Còn trạng thái chảy có ReKd <Re<ReKtr
có thể là chảy tầng hoặc chảy rối, thường là chảy rối, vì lúc này trạng thái chảy tầng không bền, chỉ cần một kích động nhỏ cũng đủ làm cho nó chảy rối.
Qua nhiều thí nghiệm người ta thấy ReKtr
không có một trị số xác định, thường dao động từ 12.000 đến 50.000. Trái lại
ReKd
đối với mọi loại chất lỏng và với các loại chất lỏng có đường kính khác nhau đều có một trị số không đổi và bằng 2320. Vì vậy ReKd
được dùng làm tiêu chuẩn phân biệt trạng thái chảy. Nếu dòng chảy có Re< 2320 ta có trạng thái chảy tầng, còn nếu Re > 2320 ta có trạng thái chảy rối. Với ống có tiết diện không tròn như dòng chảy trong các ống thu hẹp dần thì ReK lớn hơn nhiều so với ReK
của ống trụ tròn. Còn đối với ống mở rộng dần thì ngược lại. Cho nên các thí nghiệm để tìm trị số Reynolds trong các ống có tiết diện không tròn, tiết diện chữ nhật vẫn còn được tiếp tục nghiên cứu.
Trong các thực nghiệm dưới đây, các thông số cố định là tiết diện kênh và độ nhớt của dung dịch đưa vào kênh, do vậy việc điều chỉnh lưu lượng chất lỏng chảy vào kênh sẽ quyết định tới giá trị của số Re, tức là quy định trạng thái chảy của chất lỏng trong kênh.