Doświadczenia nad rodzajem ruchu cieczy przeprowadził Reynolds w 1883 r. Badania te wyodrębniły wyraźnie dwa rodzaje ruchu cieczy:
- ruch laminarny zw. regularnym lub warstwowym i
- ruch burzliwy zw. turbulentnym.
Ruch laminarny występuje przy małych prędkościach przepływu, kiedy oddzielne strugi strumienia poruszają się równolegle względem siebie.
Rys. 1. Doświadczenie Reynoldsa – ruch laminarny
Reynolds w doświadczeniu wprowadzał cienką rurkę do rury o wiele większej średnicy. W obu rurach płynęła ta sama ciecz lecz z cienkiej wydobywała się ciecz zabarwiona. Obecnie używa się do tego typu badań rodaminy, barwiącej ciecz na intensywny kolor czerwony. Jeżeli prędkość cieczy zabarwionej była mała, płynęła ona w szerokiej rurze wąską strugą równolegle do osi przewodu. Z tych doświadczeń wyciągnięto szereg wniosków, m.in. że podstawowymi czynnikami określającymi rodzaj ruchu są:
- średnia prędkość ruchu cieczy v,
- średnica rurociągu d,
- gęstość cieczy μ,
- lepkość absolutna η.
Z tych doświadczeń wynika, że im jest większy przekrój poprzeczny przewodu i gęstość cieczy oraz im jest mniejsza jej lepkość, tym łatwiej powstaje ruch burzliwy przy zwiększaniu prędkości. Na podstawie badań ustalono bezwymiarowy wskaźnik, tzw. liczbę Reynoldsa charakteryzującą rodzaj ruchu.
Liczba Reynoldsa:
lub podstawiając kinematyczny współczynnik lepkości w cm2/s, otrzymamy :
gdzie: v - średnia prędkość ruchu cieczy w cm/s,
d - średnica rurociągu w cm,
ν - kinematyczny współczynnik lepkości w cm2/s.
W wyniku analiz ustalono, że jeżeli liczba Reynoldsa nie przekracza 2320 (Re < 2320), to ruch cieczy jest zawsze laminarny (regularny). Wartość liczby Reynoldsa można określić także dla innych przekrojów niż kołowy, poprzez podstawienie w zasadniczym wzorze zamiast średnicy d, promień hydrauliczny :
stąd : d = 4 ro
Wobec powyższego Re graniczne dla dowolnego przekroju będzie wynosić :
Jeżeli liczba Re < 580, to występuje ruch laminarny. Na granicy ruchu laminarnego (regularnego) i burzliwego stoi tzw. prędkość krytyczna
gdzie :
Re — liczba Reynoldsa, którą w obliczeniach technicznych zwykle przyjmujemy jako równą 1000 (dla wody),
ν — współczynnik lepkości kinematycznej,
r — promień przekroju przewodu.
Ruch laminarny w praktyce występuje jedynie w ruchu wód gruntowych lub w cienkich rurkach. Ruch burzliwy natomiast, występuje przy większych prędkościach przepływu, kiedy strugi nie są do siebie równoległe, w strumieniu powstają wiry, tory poszczególnych cząstek przecinają się ze sobą i powstają różnokierunkowe prądy.
Przykład (rys.1) poglądowego przedstawienia doświadczenia Reynoldsa polegał na wprowadzeniu do rury o średnicy d prowadzącej ciecz, wąskiej rurki r, z której wydobywała się ciecz zabarwiona. Obecnie używa się do tego typu badań rodaminy, barwiącej ciecz na intensywny kolor czerwony.
Rys. 2. Doświadczenie Reynoldsa – ruch burzliwy (turbulentny)
Jeżeli prędkość wypływu cieczy zabarwionej wzrastała powyżej pewnej wartości granicznej, zabarwiona ciecz zaraz po wydostaniu się z wąskiego przewodu rurowego mieszała się ze strumieniem cieczy niezabarwionej i płynęła w sposób burzliwy całą średnicą rury d, tworząc wiry.
Rys. 3. Schematyczny obraz ruchu burzliwego