Laminar og turbulent strømning. regimer fluidstrømningsledninger

Studere egenskaberne af væsker og gasser flow er meget vigtig for industrien og offentlige værker. Den laminare og turbulente flow effekt på vandet transporthastigheden, olie, naturgas rørledninger til forskellige formål, påvirker de andre parametre. Disse problemer gør videnskab hydrodynamik.

klassifikation

I den videnskabelige miljø strømningssystemer og gasser fluid opdeles i to meget forskellige klasser:

• laminar (inkjet);
• turbulent.

skelne Også overgangsfase. I øvrigt betyder udtrykket "væske" har en bred betydning: det kan være usammentrykkeligt (flydende faktisk er), et sammentrykkeligt (gas), ledende, osv ...

sygehistorie

En anden Mendeleev i 1880 ideen om eksistensen af to modsatte flow regimer blev udtrykt. For flere detaljer om dette emne undersøgt den britiske fysiker og ingeniør Osborne Reynolds, der gennemførte undersøgelsen i 1883. Første, praktisk, og derefter bruge formler det konstateres, at ved en lav strømningshastighed på væsketransport bliver laminar form: lag (partikel flow) er næsten ikke blande og bevæge sig langs parallelle baner. Men efter at have overvundet en vis kritisk værdi (for forskellige betingelser den er forskellig) skal titel Reynolds-tal flydende strømningsbetingelser ændret: strålen bliver kaotisk vortex - dvs. turbulent. Da det viste sig, disse parametre er til en vis grad iboende og gasser.

Praktiske engelske videnskabsmand beregninger viste, at opførslen af fx vand, er meget afhængig af formen og dimensionerne af tanken (rør, kanaler, kapillærer, etc.), hvori det flyder. I rør med et cirkulært tværsnit (såsom til montering tryk rør), dens Reynolds tal - formlen af den kritiske tilstand er beskrevet som følger: Re = 2300. For at åbne strømningskanalen af Reynolds tal er anderledes: Re = 900. For mindre værdier for Re er bestilt, på fri fod - kaotisk.

laminar strømning

I modsætning til en laminar strømning turbulent er arten og retningen af vand (gas) strømmer. De flytter lagene uden blanding og uden pulseringer. Med andre ord, den bevægelse finder sted ensartet uden uregelmæssige spring i trykket retning og hastighed.

Laminar fluidstrøm dannes for eksempel i snævre blodkar af levende ting, planternes kapillærer og under sammenlignelige betingelser ved en strøm på meget viskose væsker (brændselsolie gennem rørledningen). At visualisere strålen er tilstrækkelig til at afsløre lidt tap - vand vil strømme stille, jævnt, uden blanding. Hvis skrues tappen til slutningen, vil systemet trykket stige og strømningen bliver kaotisk.

turbulent strømning

I modsætning til en laminar, hvor tilstødende partikler bevæger sig langs i det væsentlige parallelle baner, en turbulent strøm af fluid er uordnet karakter. Hvis vi bruger Lagrange tilgang, kan de baner partiklerne vilkårligt overlapper og opfører sig helt uforudsigeligt. Bevægelse af væsker og gasser under disse betingelser er altid forbigående, med disse parametre nonstationarities kan have en meget bredt område.

Som den laminare gasstrøm i turbulente område skrider frem, kan overvåges ved eksemplerne strejf af røg af en brændende cigaret i stillestående luft. Indledningsvis partiklerne bevæger sig næsten parallelle baner uændret i tiden. Røg synes fast. Så på et tidspunkt pludselig er der store hvirvler, der bevæger helt tilfældigt. Disse hvirvler bryde op i mindre - i endnu mindre og så videre. I sidste ende, næsten røg blander sig med den omgivende luft.

turbulens cyklusser

Ovenstående eksempel er en lærebog, og fra sine observationer forskere har gjort følgende konklusioner:

1. Laminar og turbulent strømning er probabilistisk i naturen: overgangen fra en tilstand til en anden er ikke i præcis det rigtige sted, og i en temmelig vilkårlig, tilfældigt sted.
2. Først er der store hvirvler, der er større end størrelsen af strejf af røg. Bevægelse bliver ustabil og stærkt anisotropisk. Store strømme bliver ustabile og bryde op i mindre og mindre. Der er således et hierarki af hvirvler. Energien af bevægelse overføres fra store til små, og i slutningen af denne proces forsvinder - energioptagelse forekommer ved små skæl.
3. Turbulent strømning er uregelmæssig: en særlig hvirvel kan være i en helt tilfældig, uforudsigelig sted.
4. Blanding røg med den omgivende luft ikke finder sted under laminar strømning, og i turbulent - er meget intensiv.
5. På trods af at de randbetingelser er stationære, turbulensen selv har en udtalt forbigående art - alle gas-dynamiske parametre ændre sig over tid.

Der er en anden vigtig egenskab af turbulens: Det er altid tre-dimensionelle. Selv hvis vi betragter endimensional strømning i røret eller todimensionale grænselag stadig bevægelse af turbulente hvirvler forekommer i retningerne af de tre koordinatakser.

Reynolds tal: formlen

Overgangen fra laminar til turbulens kendetegnet ved det såkaldte kritiske Reynolds tal:

_{Re cr = (ρuL / μ)} cr,

hvor ρ - massefylde stream, u - strømningshastighed karakteristisk; L - flow karakteristisk størrelse, μ - koefficienten af dynamisk viskositet, cr - for af et rør med et cirkulært tværsnit.

For eksempel for en strømning med hastighed u i røret L anvendes som rørdiameteren. Osborne Reynolds viste, at i dette tilfælde, 2300 cr <20000. Spredningen er meget stort, næsten en størrelsesorden.

Et lignende resultat opnås i grænselaget på waferen. Den karakteristiske størrelse tages som afstanden fra forkanten af pladen, og derefter 3 x ¹⁰ maj cr <4 × ¹⁰ April. Hvis L er defineret som tykkelsen af grænselaget, 2700 cr <9000. Der er eksperimentelle undersøgelser, som har vist, at værdien af Re _cr kan være endnu større.

Begrebet hastighed perturbation

Den laminare og turbulente strømning fluid, og dermed den kritiske værdi af Reynolds tal (Re) afhænger af en lang række faktorer. Fra trykgradienten, højden af bump ruhed, turbulensintensitet i den eksterne flow, differenstryk temperatur etc. For nemheds skyld er disse aggregerede faktorer kaldet perturbation hastighed da de har en vis indflydelse på flowet. Hvis denne forstyrrelse er lille, kan det blive afgjort viskose kræfter, der søger at tilpasse hastigheden feltet. For store forstyrrelser af strømningen kan blive ustabil, og turbulens opstår.

Da den fysiske betydning af Reynolds-tallet - forholdet mellem inertikræfter og viskose kræfter, strømme vrede omfattet af formlen:

Re = ρuL / μ = ρu ² / (μ × (u / l )).

Tælleren er to gange den hastighed hoved og nævneren - værdien er af størrelsesordenen friktionskraften stress, hvis L er taget som tykkelsen af grænselaget. Dynamisk tryk har tendens til at ødelægge balancen og friktionskræfter imod dette. Men det er uklart, hvorfor kræfter inerti (eller hastighed tryk) føre til ændringer, når de er 1000 gange mere tyktflydende kræfter.

Beregninger og fakta

Sandsynligvis, mere hensigtsmæssigt anvendes som en karakteristisk hastighed Re _CR ikke absolut strømningshastighed u, og hastigheden perturbation. I dette tilfælde vil den kritiske Reynolds tal være ca. 10, dvs. når overskrider de dynamiske tryk forstyrrelser viskøse spændinger end 5 gange den laminare strømning i en turbulent fluid strømmer. Denne definition Re ifølge nogle forskere er godt forklares ved følgende eksperimentelt bevist fakta.

For en perfekt ensartet hastighedsprofil på en perfekt glat overflade er traditionelt bestemt af antallet Re _cr går mod uendelig, det vil sige overgangen faktisk opstår turbulens. Her Reynolds tal er bestemt af størrelsen af den forstyrrelse hastighed under den kritiske værdi, som er lig med 10.

I nærvær af kunstig turbulens, der forårsager stænk rate sammenlignelige med basistoldsatsen strømningen bliver turbulent ved meget lavere Reynolds tal end Re _cr, bestemt ud fra den absolutte værdi af hastigheden. Dette muliggør anvendelse af koefficienten Re _cr = 10, hvor den karakteristiske hastighed er den absolutte værdi af hastigheden perturbation forårsaget af de ovennævnte grunde.

Stabilitet af den laminare strømning regime i støbeskeen

Den laminare og turbulente strømning er fælles for alle typer af væsker og gasser under forskellige betingelser. Den laminare karakter af strømningen er sjældne og er kendetegnet for eksempel til snævre underjordiske vandløb sletter. Meget mere, dette spørgsmål er af bekymring for forskere i forbindelse med den praktiske anvendelse til transport via rørledning vand, olie, gas og andre væsker.

Q laminar flow stabilitet er nært beslægtet til studiet forstyrret bevægelse af hovedstrømmen. Det viste sig at være påvirket af de såkaldte små forstyrrelser. Afhængigt af, om de vokser eller forsvinde med tiden, er den grundlæggende flow anses for at være stabil eller ustabil.

For komprimerbare og ikke komprimerbare fluider

En af de faktorer, der påvirker den laminare og turbulente strømning fluid er dens sammentrykkelighed. Denne væske egenskab er særlig vigtig i studiet af stabiliteten af ikke-stationære processer med hurtige ændringer i den primære strøm.

Undersøgelser indikerer, at laminar strømning af en inkompressibel væske i rørene i den cylindriske sektion er resistent over for relativt små aksesymmetriske og ikke-aksesymmetriske forstyrrelser i tid og rum.

For nylig er beregningerne udført på indflydelsen af forstyrrelser på aksesymmetrisk strømningsmodstanden i indløbsdelen af det cylindriske rør, hvor hovedstrømmen er afhængig af de to koordinater. Koordinataksen af røret betragtes som parameteren, der påvirker hastighedsprofilen langs radius af hovedstrømmen røret.

konklusion

På trods af århundreders studium, kan vi ikke sige, at laminar og turbulent strømning grundigt undersøgt. Eksperimentelle undersøgelser af mikroniveau, rejser nye spørgsmål, der kræver en begrundet beregning begrundelse. Karakteren af forskning er anvendelse og brug: verdens tusindvis af kilometer vand, olie, gas og produkt. Jo længere indført tekniske løsninger til reduktion af turbulens under transport, jo mere effektiv vil det være.