Laminär och turbulent strömning. vätskeflödesregimer

Studera egenskaperna hos vätskor och gaser flöde är mycket viktigt för industrin och allmännyttiga företag. Det laminära och turbulenta flödet effekt på transporthastigheten vatten, olja, naturgasledningar för olika ändamål, påverkar andra parametrar. Dessa problem gör vetenskap hydrodynamik.

klassificering

I den vetenskapliga miljön av fluidflödesregimer och gaser är uppdelade i två mycket distinkta klasser:

• laminära (inkjet);
• turbulent.

Också skilja övergångsfas. Förresten, har termen "flytande" ett brett betydelse: det kan vara inkompressibelt (vätska faktiskt är), en kompressibel (gas), ledande, etc ...

anamnes

Annan Mendeleev i 1880 idén om existensen av två motstående flödesregimer uttrycktes. För mer information om denna fråga undersökte den brittiska fysiker och ingenjör Osborne Reynolds som fullföljde studien 1883. Först, praktiskt taget, och sedan använda formler det visar sig att vid en låg flödeshastighet av vätsketransport blir laminär form: skikten (partikel flöde) är nästan inte blanda och röra sig längs parallella banor. Emellertid, efter att övervinna ett visst kritiskt värde (för olika förhållanden är det olika), är titel Reynolds tal vätskeflödesförhållanden förändrats: jetstrålen blir kaotisk virvel - d.v.s. turbulent. Som det visade sig, dessa parametrar är i viss mån inneboende och gaser.

Praktiska engelska forskare Beräkningarna visade att beteendet hos, t ex vatten, är starkt beroende av formen och dimensionerna hos tanken (rör, kanaler, kapillärer, etc.), i vilket den strömmar. I rör med en cirkulär tvärsektion (såsom används för montering tryck rörledningar), dess Reynolds tal - formeln av det kritiska tillståndet beskrivs enligt följande: Re = 2300. För att öppna flödeskanalen av Reynolds tal är olika: Re = 900. För mindre värden för Re beställs, i stort - kaotisk.

laminärt flöde

Till skillnad från ett laminärt flöde turbulent är naturen och riktning av vatten (gas) strömmar. De rör sig lagren utan att blanda och utan pulsationer. Med andra ord, sker rörelsen rum likformigt utan oregelbundna hopp i tryckriktningen och hastighet.

Laminärt fluidflöde bildas, till exempel, i smala blodkärl av levande ting, växterna kapillärerna och under jämförbara betingelser, vid en ström av mycket viskösa vätskor (brännolja genom rörledningen). Att visualisera jetflödet är tillräcklig för att avslöja en liten kran - vatten kommer att strömma lugnt, jämnt, utan blandning. Om skruva loss tappen till slutet, kommer systemtrycket att stiga och flödet kommer att bli kaotisk.

turbulent flöde

Till skillnad från ett laminärt, varvid angränsande partiklar rör sig längs väsentligen parallella vägar, är ett turbulent flöde av fluid oordnade natur. Om vi använder Lagrange tillvägagångssätt kan banor partiklarna godtyckligt överlappar och beter sig helt oförutsägbart. Förflyttning av vätskor och gaser under dessa villkor är alltid övergående, med dessa parametrar nonstationarities kan ha ett mycket brett spektrum.

Som det laminära gasflödet in turbulenta regimen fortskrider, kan övervakas genom exempel stripor av röken från en brinnande cigarett i stillastående luft. Initialt, partiklarna rör sig nästan parallella banor oförändrade med tiden. Rök verkar fast. Sedan någon gång helt plötsligt finns stora virvlar som rör sig helt slumpmässigt. Dessa virvlar bryta upp i mindre - i ännu mindre och så vidare. I slutändan, praktiskt taget rök blandas med den omgivande luften.

turbulens cykler

Exemplet ovan är en lärobok, och från sina iakttagelser forskare har gjort följande slutsatser:

1. Laminär och turbulent flöde är probabilistisk natur: övergången från en mod till en annan är inte på exakt rätt plats, och i en ganska godtycklig, slumpmässig plats.
2. Först finns det stora virvlar som är större än storleken på stripor av rök. Rörelsen blir ostadig och starkt anisotropisk. Stora flöden blir instabila och bryts upp i mindre och mindre. Således finns det en hierarki av virvlar. Energin av rörelsen överförs från stora till små, och vid slutet av denna process försvinner - energiavledning sker vid små skalor.
3. Turbulent flöde är oberäkneligt: en speciell virvel kan vara i en helt slumpmässig, oförutsägbar plats.
4. Blandning rök med luften inte ske under laminärt flöde och turbulent - är mycket intensiv.
5. Trots att randvillkoren är stillastående, turbulensen i sig har en uttalad övergående natur - alla parametrar gasdynamiska förändras över tiden.

Det finns en annan viktig egenskap hos turbulens: det är alltid tredimensionellt. Även om vi anser endimensionella flöde i röret eller tvådimensionell gränsskiktet fortfarande rörelsen hos turbulenta virvlar uppträder i riktningarna av de tre koordinataxlarna.

Reynolds tal: formeln

Övergången från laminär till turbulens som kännetecknas av den så kallade kritiska Reynolds-talet:

_{Re cr = (ρuL / μ)} cr,

där ρ - densitet strömmen, u - flödeshastighet karakteristik; L - flöde karakteristisk storlek, μ - koefficienten för dynamisk viskositet, cr - för genom ett rör med ett cirkulärt tvärsnitt.

Till exempel, för ett flöde med hastighets u i röret L används som rördiametern. Osborne Reynolds visade att i detta fall, 2300 cr <20000. Spridningen är mycket stor, nästan en storleksordning.

Ett liknande resultat erhålls i gränsskiktet på skivan. Den karakteristiska storleken är tagen som avståndet från den främre kanten av plattan, och sedan: 3 × 10 ⁵ cr <4 x 10 ^4. Om L är definierad som tjockleken av gränsskiktet, det 2700 cr <9000. Det finns experimentella studier som har visat att värdet på Re _cr kan vara ännu större.

Begreppet hastighets störning

Det laminära och turbulenta fluidflöde, och följaktligen det kritiska värdet på Reynolds tal (Re) beror på ett stort antal faktorer. Från tryckgradienten, höjden av gupp grovhet, turbulensintensiteten i den yttre flöde, differenstemperaturen etc. För bekvämlighets skull är dessa aggregerade faktorer kallas störningshastighet eftersom de har ett visst inflytande på flödet. Om denna störning är liten, kan det lösas viskösa krafter som söker att anpassa hastighetsfältet. För stora störningar i flödet kan bli instabil, inträffar och turbulens.

Med tanke på att den fysiska innebörden av Reynolds tal - förhållandet mellan tröghetskrafter och viskösa krafter, flöden harm omfattas av formeln:

Re = ρuL / μ = ρu ² / (μ x (u / L )).

Täljaren är två gånger hastigheten huvudet och nämnaren - värdet är av storleksordningen av friktions stress, om L tas som tjockleken av gränsskiktet. Dynamiskt tryck tenderar att förstöra balansen och friktionskrafter motsätter sig detta. Det är dock oklart varför de tröghetskrafter (eller hastighetstryck) leda till förändringar först när de är 1000 gånger mer viskösa krafter.

Beräkningar och fakta

Förmodligen, mer lämpligen användas som en karakteristisk hastighet Re _CR inte absolut flödeshastighet u, och hastigheten perturbation. I detta fall kommer det kritiska Reynolds tal vara omkring 10, dvs när överskrider de dynamiska tryckstörnings viskösa spänningar över 5 gånger det laminära flödet in i en turbulent fluidflöden. Denna definition Re enligt vissa forskare är väl förklaras av följande experimentellt bevisade fakta.

För en perfekt likformig hastighetsprofil på en perfekt jämn yta är traditionellt bestäms av antalet Re _cr går mot oändligheten, det vill säga verkligen sker övergången till turbulens. Här Reynolds tal bestäms av storleken på den störning hastigheten under det kritiska värdet, som är lika med 10.

I närvaro av artificiell turbulens, vilket orsakar stänk hastighet jämförbar med en basnivå, blir flödet turbulenta vid mycket lägre Reynolds tal än Re _cr, bestämda från det absoluta värdet av hastigheten. Detta möjliggör användning av koefficienten Re _cr = 10, där den karakteristiska hastigheten är det absoluta värdet av hastigheten störning orsakad av ovanstående skäl.

Stabilitet regim laminärt flöde i rörledningen

Den laminär och turbulent strömning är gemensam för alla typer av vätskor och gaser under olika förhållanden. Den laminära naturen hos flödet är sällsynta och kännetecknas, till exempel, för trånga underjordiska vattendrag slätter. Mycket mer är frågan om oro för forskare i samband med praktisk tillämpning för transport via rörledning vatten, olja, gas och andra vätskor.

Q laminärt flöde stabilitet är nära besläktad med studien störd rörelse av huvudflödet. Det konstaterades att påverkas av de så kallade små störningar. Beroende på om de växer eller försvinna med tiden, är det grundläggande flödet anses vara stabil eller instabil.

För komprimer och inte komprimer vätskor

En av de faktorer som påverkar det laminära och turbulenta fluidflöde är dess komprimerbarhet. Denna vätska egenskap är särskilt viktig i studiet av stabiliteten hos icke-stationära processer med snabba förändringar i den primära strömmen.

Studier indikerar att laminärt flöde av en inkompressibel vätska i rören hos den cylindriska sektionen är resistent mot relativt små axialsymmetriska och icke-axiellt symmetriska störningar i tid och rum.

Nyligen, görs beräkningarna på påverkan av störningar på motståndsaxelsymmetriskt flöde i den del av det cylindriska röret inlopps där huvudströmmen är beroende av de två koordinater. Koordinataxeln hos röret anses som den parameter som påverkar hastighetsprofilen utmed radien av huvudströmningsröret.

slutsats

Trots århundraden av studier, kan vi inte säga att laminär och turbulent strömning noggrant studeras. Experimentella studier på mikronivå, upp nya frågor som kräver ett motiverat beräknings motivering. Den typ av forskning är Användningsområde: världens tusentals kilometer av vatten, olja, gas och produkt. Ju längre införda tekniska lösningar för minskning av turbulens under transport, desto effektivare blir det.