Laminarno i turbulentno strujanje. režimi protoka fluida

Proučavanje svojstava tekućina i plinova protok je vrlo važno za industriju i komunalne infrastrukture. Slojeviti i burna učinak toka na brzinu transporta vode, ulje, prirodni plin cjevovodi za različite namjene, utječe na druge parametre. Ovi problemi ne znanost Hidrodinamika.

klasifikacija

U znanstvenom okruženju režima strujanja i plinova podijeljeni su u dvije vrlo različite klase:

• laminarni (inkjet);
• burna.

Također razlikovati prijelaznu fazu. Usput, pojam „tekućina” ima široko značenje: to može biti nestišljiv (tekućina zapravo), komprimirati (plin), antistatik, itd ...

dosije

Još Mendeljejev 1880. ideja o postojanju dva suprotna režima protoka izražena. Za više detalja o ovom pitanju ispitao britanski fizičar i inženjer Osborne Reynolds koji su završili studij u 1883. Prvo, praktično, a zatim pomoću formule nađeno je da pri niskom protoku tekućine transporta postaje laminarnog oblika: slojeva (toka čestica) se gotovo ne miješati i pomicati duž paralelnih putova. Međutim, nakon prevladavanja određenu kritičnu vrijednost (za različite uvjete je različit), mijenjaju se uvjeti naslova Reynolds broj protoka tekućine: protok mlaza postane kaotična vrtlog - tj burna. Kao što se ispostavilo, ovi parametri su u nekoj mjeri svojstvena i plinovi.

Praktični engleski znanstvenik izračuni pokazali da je ponašanje, na primjer, voda, vrlo je ovisna o obliku i dimenzijama spremnika (cijevi, kanali, kapilare i slično), u kojoj teče. U cijevi koja ima kružni poprečni presjek (na primjer koristi za montiranje cijevovoda), njegov Reynoldsova - formula kritične stanje je opisano kako slijedi: Re = 2300. Da bi se otvorio kanal protoka Reynoldovoj broj je različit: Re = 900. Za manje vrijednosti Re je naručio, u cjelini - kaotičan.

laminarnog toka

Razliku turbulentno strujanje laminarnog je priroda i smjer voda (plin) teče. Kreću slojeva, bez miješanja i bez pulsiranja. Drugim riječima, kretanje odvija ravnomjerno bez luta skokovima u smjeru tlaka i brzine.

Laminarni protok fluida načinjen, na primjer, u uskim krvnim žilama od živih organizama, na biljke i kapilara pod sličnim uvjetima, u struji vrlo viskozne tekućine (goriva kroz cjevovod). Vizualizirati protok jet je dovoljno da bi se otkrilo malo slavinu - voda će teći mirno, ravnomjerno, bez miješanja. Ako odvrnuti slavinu do kraja, pritisak sustav će rasti i protok će postati kaotičan.

turbulentno strujanje

Za razliku od susjedne laminarnom, pri čemu čestice kreću duž staze paralelna, turbulentno strujanje tekućine u neredu prirode. Ako koristimo Lagrange pristup, putanje čestica proizvoljno mogu preklapati i ponašati sasvim nepredvidivo. Kretanje tekućina i plinova pod tim uvjetima su uvijek prolazne, s tim parametrima nonstationarities može imati vrlo širok raspon.

Kao laminarnog toka plina u turbulentnim režima prihoda, može se pratiti na primjer Pramenovi dima gorućeg cigarete u mirnom zraku. U početku, čestice kretati gotovo paralelne staze nepromijenjene u vremenu. Dim čini fiksna. Onda u nekom trenutku Odjednom postoje velike vrtloga koji se kreću potpuno slučajno. Ti vrtlozi razbiti u manje - u još manja i tako dalje. Na kraju, gotovo dim miješa s okolnim zrakom.

turbulencija ciklusa

Gornji primjer je udžbenik, a od njegovih opažanja znanstvenici su sljedeći zaključci:

1. Laminarno i turbulentno strujanje su probabilistički u prirodi: prijelaz s jednog načina na drugi nije u pravom mjestu, u prilično proizvoljan, slučajni lokaciji.
2. Prvo, postoje velike vrtlozi koji su veći od veličine Pramenovi dima. Pokret postaje nestabilan i snažno anizotropni. Veliki tokovi postati nestabilan i razbiti u sve manje i manje. Dakle, postoji hijerarhija vrtloga. Energija pokreta prenosi od velikih do malih, a na kraju tog procesa nestaje - rasipanje energije odvija na malim skalama.
3. Turbulentno strujanje je nepravilno: poseban vrtlog može biti u potpunosti slučajan, nepredvidljive mjestu.
4. Miješanje dim s okolnim zrakom ne odvijaju pod laminarnog toka, a burna - vrlo intenzivna.
5. Unatoč činjenici da su rubni uvjeti su stacionarni, sama turbulencija ima izraženu prolazne naravi - svi parametri plin dinamično mijenjaju tijekom vremena.

Postoji još jedna važna osobina turbulencije: uvijek je trodimenzionalan. Čak i ako uzmemo u obzir jednodimenzionalno strujanje u cijevi ili dvodimenzionalni graničnog sloja dalje gibanje turbulentnih vrtloga pojaviti u smjeru triju koordinatnih osi.

Reynoldsov broj: formula

Prijelaz iz laminarnom turbulencije karakteriziran tzv kritičnog Reynoldsov broj:

_{Re = CR (ρuL / J.!)} Cr,

gdje ρ - gustoća tok, u - brzina protoka karakteristika; L - protok karakterističnu veličinu μ - koeficijent dinamičkog viskoziteta, CR - za pomoću cijevi s kružnim poprečnim presjekom.

Na primjer, za protokom s brzinom nesigurnosti u cijevi L koristi kao promjera cijevi. Osborne Reynolds je pokazao da je u ovom slučaju 2300 cr <20000. Širenje je vrlo velik, gotovo red veličine.

Sličan rezultat je dobiven u graničnom sloju na pločice. Karakteristične veličine uzima kao udaljenost od prednjeg ruba ploče, a zatim 3 x ¹⁰ May cr <4 × ¹⁰ Travanj je. Ako je L definiran kao debljina graničnog sloja, 2700 cr <9000, postoje eksperimentalne studije koje su pokazale da se vrijednost Re _CR može biti čak i veća.

Koncept brzina perturbacija

Slojeviti i turbulentno strujanje tekućine, a prema tome i kritična vrijednost Reynolds broj (Re) ovisi o velikom broju faktora. Od gradijent tlaka, visine od udaraca hrapavosti, intenzitet turbulencije u vanjskom toka, diferencijalni temperature, itd Za praktičnost, te zbirne faktori nazivaju perturbacija brzine jer imaju određeni utjecaj na brzinu protoka. Ako ovaj poremećaj je mali, to se može riješiti viskoznih sila nastoje uskladiti polja brzine. Za velike perturbacije toka može postati nestabilan, javlja i turbulencija.

S obzirom da je fizički značenje Reynolds broj - omjer inercijskih sila i sila viskoznih, odbojnost tokovi obuhvaćeni formulom:

Re = ρuL / μ = ρu ² / (μ × (u / l )).

Brojnik dvostruko glava brzina i nazivnik - vrijednost je reda trenja stresa, ako L je uzeta kao debljina graničnog sloja. Dinamički tlak ima tendenciju uništiti ravnotežu i sile trenja protive tome. Međutim, nejasno je zašto su sile inercije (ili tlaka brzina) dovesti do promjena samo kad je 1000 puta više viskoznih sila.

Izračuni i činjenice

Vjerojatno više povoljno može koristiti kao karakteristične brzine Re nije _CR apsolutna brzina strujanja u, a brzina perturbacija. U tom slučaju, kritično Reynolds broj će biti oko 10, odnosno kada prelazi dinamički tlak smetnje viskoznih naprezanja preko 5 puta laminarnog toka u turbulentnih strujanja fluida. Ova definicija Re prema nekim znanstvenicima dobro objašnjava sljedećim eksperimentalno dokazane činjenice.

Za savršeno ujednačen profil brzina na savršeno glatku površinu tradicionalno određuje se prema broju Re _CR teži u beskonačnost, to jest, tranzicija zapravo događa turbulencije. Ovdje Reynolds broj određuje se prema veličini brzine perturbacijskog ispod kritične vrijednosti, što je jednako 10.

U prisutnosti umjetne turbulencije, uzrokuje stopu štrcanje usporedivu s osnovice, protok postaje turbulentno pri mnogo manjim Reynoldsove brojeve od Re _cr, utvrđene od apsolutne vrijednosti brzine. To omogućuje korištenje koeficijenta Re _cr = 10, gdje je karakteristična brzina je apsolutna vrijednost perturbacija brzine uzrokovane gore navedenih razloga.

Stabilnost režima laminarnog protoka u cjevovodu

Slojeviti i turbulentno strujanje je zajedničko svim vrstama tekućina i plinova pod različitim uvjetima. Slojeviti priroda toka su rijetki i karakterizirani, na primjer, za uske podzemnih tokova ravnicama. Mnogo više, to je pitanje od važnosti znanstvenika u kontekstu praktične primjene za transport cjevovodom voda, nafte, plina i drugih tekućina.

P stabilnost laminarno strujanje je usko povezano sa studija smeta prijedlog glavnog toka. Utvrđeno je da se pod utjecajem tzv male perturbacije. Ovisno o tome da li rasti ili nestati s vremenom, osnovni tok smatra se da je stabilan ili nestabilan.

Za kompresibilnim i ne mogu komprimirati tekućinama

Jedan od faktora koji utječu na laminarno i turbulentno strujanje tekućine je njegova kompresije. Ova nekretnina tekućine je osobito važno u proučavanju stabilnost nestacionarnoj procesa s brzom promjenom u primarnoj struji.

Studije pokazuju da laminarni protok nestlačivim tekućine u cijevi cilindričnog dijela je otporan na relativno mala i ne-osnosimetričnim osnosimetričnim poremećaja u vremenu i prostoru.

Nedavno Izračuni se provode na utjecaju poremećaja na otpor protoka u osnosimetričnim ulaznom dijelu cilindrične cijevi u kojoj je glavni struja ovisi o dvije koordinata. Koordinatni osi cijevi smatra se kao parametar koji utječe na profil brzine uz radijusu od glavne cijevi toka.

zaključak

Unatoč stoljeća studije, ne možemo reći da je laminarno i turbulentno strujanje temeljito istražena. Eksperimentalne studije na mikro razini, podizanje novih pitanja koja zahtijevaju obrazloženi izračuna opravdanje. Priroda istraživanja je primjena i korištenje: svjetski tisuće kilometara vode, nafte, plina i proizvoda. Što duže uvedene tehnička rješenja za smanjenje turbulencije tijekom prijevoza, učinkovitiji će to biti.