Laminarno i turbulentno strujanje. fluid režima toka

Proučavajući svojstva tečnosti i gasova protok je vrlo važan za industriju i komunalnih usluga. Na laminarno i turbulentno učinak toka na stopu transport vode, nafte, prirodnog gasa cjevovoda za razne namjene, utiče na druge parametre. Ovi problemi se bavimo naukom hidrodinamike.

klasifikacija

U naučnom okruženju fluida režima protoka i plinova podijeljeni su u dvije vrlo različite klase:

• laminarno (inkjet);
• turbulentna.

Također razlikuju prelazna faza. Inače, termin "tečnost" ima širok značenje: to može biti nestišljivog (tečnost zapravo), a compressible (plin), provodni, itd ...

dosije

Još jedna Mendeljejev 1880. ideju o postojanju dva suprotna režima protoka je izražena. Za više detalja o ovom pitanju ispitao britanski fizičar i inženjer Osborne Reynolds koji su završili studije 1883. godine. Prvo, praktično, a zatim pomoću formule utvrđeno je da je na nisku stopu protoka transport tečnosti postaje laminarno oblik: slojevima (protok čestica) se gotovo ne miješati i kreću duž paralelne. Međutim, nakon što je prevazilaženje određene kritične vrijednosti (za različite uvjete je drugačije), uslovi protoka tečni naslov Reynolds broj se mijenjaju: protok jet postaje haotično Vortex - i.e., turbulentna. Kako se ispostavilo, ovi parametri su u određenoj mjeri inherentne i gasova.

Praktična Engleski naučnik proračuni su pokazali da je ponašanje, npr, voda, u velikoj mjeri zavisi od oblika i dimenzije spremnika (cijevi, kanali, kapilare, itd), u kojem teče. U cijevi imaju kružni presjek (kao što se koristi za montažu cijevi pod pritiskom), njegova Reynolds broj - formula za kritično stanje je opisano kako slijedi: Re = 2300. Kako bi se otvoriti kanal protoka je Reynolds broj je drugačija: Re = 900. Za manje vrijednosti za Re je naređeno, na slobodi - haotično.

laminarni protok

Za razliku od turbulentnom laminarni protok je priroda i pravac vode (plin) tokova. Kreću slojeva bez miješanja i bez pulsacija. Drugim riječima, pokret odvija ravnomjerno bez nestalna skokova u smjeru pritiska i brzine.

Laminarni protok fluida formira se, na primjer, u uskim krvnim sudovima živih bića, biljke kapilara i pod sličnim uslovima, na struju vrlo viskozne tekućine (goriva nafte kroz naftovod). Vizualizaciju protok mlaz je dovoljan da otkrije malo slavine - voda teče mirno, ravnomjerno, bez miješanja. Ako odvrnite slavinu do kraja, pritisak će rasti i protok će postati haotično.

turbulentnog strujanja

Za razliku od laminarno, pri čemu susjedne čestice kreću duž suštinski paralelne, turbulentnog strujanja fluida je poremećeno prirode. Ako koristimo Lagrange pristup, putanje čestica može proizvoljno preklapaju i ponašaju se sasvim nepredvidivo. Kretanje tečnosti i gasova pod ovim uvjetima su uvijek prolazne, sa ovim parametrima nonstationarities mogu imati vrlo širok raspon.

Kao laminarno strujanje gasa u turbulentnim prihoda režima, može se pratiti na primeru pramenovi dima u plamenu cigareta u mirnom vazduhu. U početku, čestice kreću gotovo paralelne nepromijenjen u vremenu. Dim čini fiksna. Onda u nekom trenutku odjednom postoje velike vrtloge koji se kreću potpuno slučajno. Ovi vrtlozi razbiju na manje - u još manje i tako dalje. Na kraju, praktično puše miješa s okolnim zrakom.

turbulencije ciklusa

Gornjem primjeru je udžbenik, a od svoja zapažanja naučnici su napravili sljedeće zaključke:

1. Laminarno i turbulentno strujanje su probabilistički u prirodi: prelazak iz jednog režima u drugi nije baš na pravom mjestu, i na prilično proizvoljno, slučajni lokaciji.
2. Prvo, postoje velike vrtloge koji su veći od veličine pramenovi dima. Pokret postaje nestabilan i snažno anisotropic. Velike protoke postati nestabilan i razbiti u sve manje i manje. Prema tome, postoji hijerarhija vrtloga. Energija kretanja se prenosi od velikih do malih, a na kraju ovog procesa nestaje - rasipanje energije nastaje na malim skalama.
3. Turbulentno strujanje je nestalan: poseban vrtlog može biti potpuno slučajan, nepredvidivo.
4. Miješanje dim sa ambijentalnog zraka ne odvija pod laminarni protok, a u turbulentnim - je vrlo intenzivna.
5. Uprkos činjenici da su granični uslovi stacionarne, sama turbulencija ima izražen prolazne u prirodi - svi parametri gas-dinamičke vremenom promijeniti.

Postoji još jedan važan vlasništvu turbulencija: uvek je trodimenzionalna. Čak i ako uzmemo u obzir jednodimenzionalni protoka u cijevi ili dvodimenzionalni granični sloj dalje kretanje turbulentnih vrtloga javljaju u pravcu tri koordinatnih osa.

Reynolds broj: formula

Tranzicija iz laminarnog u turbulencije odlikuje tzv kritična Reynolds broj:

_{Re CR = (ρuL / μ)} CR,

gdje ρ - gustoća potoka, u - protok karakteristika; L - Karakteristika veličina, μ - koeficijent dinamičke viskoznosti, CR - za strane cijevi s kružnim presjek.

Na primjer, za protok brzinom uu cijevi L se koristi kao promjer cijevi. Osborne Reynolds je pokazao da je u ovom slučaju 2300 cr <20000. Širenje je vrlo velik, gotovo red veličine.

Sličan rezultat se dobija u graničnom sloju na napolitanki. Karakteristične veličine uzima se kao udaljenost od prednjeg ruba ploče, a zatim: 3 × 10 ⁵ cr <4 × 10 ^4. Ako je L definiran kao debljina graničnog sloja, 2700 cr <9000. Postoje eksperimentalnih studija koje su pokazale da je vrijednost Re _cr može biti još veći.

Koncept brzine perturbacije

Na laminarno i turbulentno strujanje fluida, i shodno tome, kritična vrijednost Reynolds broj (Re) zavisi od velikog broja faktora. Iz gradijent pritiska, visina neravnina hrapavosti, intenzitet turbulencije u vanjskom protoka, temperature diferencijala, itd pogodnost, te ukupni faktori nazivaju brzina perturbacije jer oni imaju određeni utjecaj na protok. Ako je ovaj poremećaj je mali, može se naselili viskoznih sila traže da se uskladi polje brzine. Za velike smetnje protoka može postati nestabilan, i turbulencija javlja.

S obzirom da je fizički značenje Reynolds broj - odnos inercijalnih sila i viskoznih sila, ozlojeđenost tokovi pokriven po formuli:

Re = ρuL / μ = ρu ² / (μ × (U / L )).

Brojnik je dva puta u glavu brzine i nazivnik - vrijednost je reda od trenja stresa, ako se uzima kao debljina graničnog sloja. Dinamički pritisak teži da uništi ravnotežu i sila trenja ovo protive. Međutim, nejasno je zašto sile inercije (ili pritisak brzine) dovesti do promjena samo kad su 1000 puta više viskoznih sila.

Proračuna i činjenice

Vjerovatno, više jednostavno može koristiti kao karakteristika brzina Re nije _CR apsolutne brzine protoka u, a brzina perturbacije. U ovom slučaju, kritično Reynolds broj će biti oko 10, i.e. kada prelazi pritisak poremećaj dinamičan viskozna naprezanja preko 5 puta laminarno strujanje u turbulentnom fluida. Ova definicija Re prema nekim naučnicima je dobro objasniti sljedeće eksperimentalno dokazano činjenice.

Za savršeno ujednačen profil brzine na savršeno glatku površinu se tradicionalno određuje broj Re _cr teži u beskonačnost, to jest, tranzicija zapravo dešava na turbulenciju. Ovdje Reynolds broj određuje se veličina brzine perturbacije ispod kritične vrijednosti, koji je jednak 10.

U prisustvu umjetnih turbulencije, uzrokujući stopa prskanja porediti sa osnovne stope, protok postaje turbulentan po znatno nižim Reynolds broju nego Re _CR, određena od apsolutne vrijednosti brzine. To omogućava korištenje koeficijenta Re _CR = 10, gdje je karakteristična brzina je apsolutna vrijednost brzine perturbacije uzrokovane gore navedenih razloga.

Stabilnost režima laminarnog protoka u planu

Na laminarno i turbulentno strujanje je zajedničko za sve vrste tečnosti i gasova pod različitim uvjetima. Je laminarno priroda toka su rijetki, a karakteriziraju, na primjer, za uske podzemne tokove ravnice. Još mnogo toga, ovo pitanje je zabrinutost naučnika u kontekstu praktične primjene za transport cjevovodom voda, ulje, plina i drugih tekućina.

Q stabilnost laminarni protok je usko vezan za proučavanje uznemiravaju prijedlog glavnog toka. Utvrđeno je da se pogođeni tzv malih poremećaja. U zavisnosti od toga da li su rasti ili nestati s vremenom, osnovni tok smatra se stabilan ili nestabilan.

Za compressible a ne compressible tečnosti

Jedan od faktora koji utiču na laminarno i turbulentno strujanje fluida je njegova stišljivosti. Ova nekretnina fluid je posebno važno u proučavanju stabilnosti nestacionarnih procesa uz brze promjene u primarne struje.

Studije pokazuju da laminarni protok jednog fluida u cijevi cilindričnog dijela je otporan na relativno male poremećaje osnosimetrična i ne-osnosimetrična u vremenu i prostoru.

Nedavno, proračuni se izvode o uticaju poremećaja na otpor osnosimetrična protoka u ulazu dio cilindrične cijevi u kojoj ovisi o dva koordinate glavne struje. Koordinata osi cijevi smatra se kao parametar koji utiče na profil brzine uz radijus glavni vod.

zaključak

Uprkos stoljeća studija, ne možemo reći da je laminarno i turbulentno strujanje je temeljito studirao. Eksperimentalnih studija na mikro nivou, podizanje novih pitanja koja zahtijevaju obrazloženi obračun opravdanje. Priroda istraživanja je primjena i upotreba: Svjetski hiljade kilometara vode, nafte, plina i proizvoda. Što duže uveo tehničkih rješenja za smanjenje turbulencije tokom transporta, efikasnije će biti.