Curgerea laminară și turbulentă. regimuri de curgere a fluidului

Studierea proprietăților lichidelor și gazelor de debit este foarte important pentru industrie și utilități publice. Laminară și efectul de curgere turbulentă asupra vitezei de transport a apei, petrol, conducte de gaze naturale pentru diverse scopuri, afectează ceilalți parametri. Aceste probleme fac hidrodinamica de știință.

clasificare

În mediul științific al regimurilor de curgere a fluidului și gazele sunt împărțite în două clase distincte:

• laminar (inkjet);
• turbulent.

De asemenea, distincția etapă de tranziție. De altfel, termenul „lichid“ are un sens larg: acesta poate fi incompresibil (lichid de fapt este), un compresibil (gaz), conductoare, etc ...

anamneză

Un alt Mendeleev în 1880 ideea existenței a două regimuri de curgere opuse a fost exprimat. Pentru mai multe detalii cu privire la această problemă a examinat fizician britanic și inginerul Osborne Reynolds, care a finalizat studiul în 1883. În primul rând, practic, și apoi folosind formule în care se constată că, la un debit redus de transport de lichid devine formă laminară: straturi (flux de particule) este aproape nu se amestecă și se deplasează pe căi paralele. Cu toate acestea, după depășirea unei anumite valori critice (pentru diferite condiții este diferit), titlul de numere Reynolds condițiile de debit lichid sunt modificate: fluxul de jet devine vortex haotic - adică, turbulente. După cum sa dovedit, acești parametri sunt într-o anumită măsură, inerente și de gaze.

Practice calcule știință englez a arătat că comportamentul, de exemplu, apa, este foarte dependentă de forma și dimensiunile rezervorului (conducte, canale, capilare, etc.), în care curge. În conducte având o secțiune transversală circulară ( de exemplu utilizate pentru montarea de conducte de presiune), numărul Reynolds - formula de starea critică este descrisă după cum urmează: Re = 2300. Pentru a deschide canalul de curgere al numărului Reynolds este diferit: Re = 900. Pentru valori mai mici pentru Re este comandat, la mare - haotic.

flux laminar

Spre deosebire de o turbulent de curgere laminară este natura și direcția de apă (gaz) curge. Ei se mișcă straturile fără amestecare și fără pulsații. Cu alte cuvinte, mișcarea are loc în mod uniform, fără salturi neregulat în direcția de presiune și viteza.

flux de fluid laminara este format, de exemplu, în înguste vasele de sânge ale lucrurilor vii, capilarele plante și în condiții comparabile, la un curent de lichide foarte vâscoase (păcură prin conducta). Pentru a vizualiza fluxul jet este suficient pentru a descoperi un pic robinet - apă va curge în liniște, uniform, fără a se amesteca. Dacă deșurubați cepul până la capăt, presiunea sistemului va crește și fluxul va deveni haotic.

curgere turbulentă

Spre deosebire de o laminară, în care particulele învecinate se deplaseze de-a lungul căi paralele în mod substanțial, o curgere turbulentă a fluidului este natura dezordonat. Dacă vom folosi metoda Lagrange, traiectoriile particulelor se pot suprapune în mod arbitrar și se comportă destul de imprevizibil. Circulația lichidelor și gazelor în aceste condiții sunt întotdeauna tranzitorii, cu acești parametri nonstationarities pot avea o gamă foarte largă.

Când debitul laminar de gaze în continuă regim turbulent, pot fi monitorizate de exemplu fuioarele de fum a unei țigări de ardere în aer încă. Inițial, particulele se mișcă căi aproape paralele neschimbate în timp. Fum pare fix. Apoi, la un moment dat dintr-o dată, există vârtejuri mari, care se misca complet aleator. Aceste vortexuri rupe în cele mai mici - în chiar și mai mici și așa mai departe. În final, practic fum se amestecă cu aerul din jur.

cicluri de turbulență

Exemplul de mai sus este un manual, și din observațiile sale oamenii de știință au făcut următoarele concluzii:

1. Curgerea laminară și turbulentă sunt probabilistice în natură: tranziția de la un mod la altul, nu este exact locul potrivit, și într-o locație destul de arbitrar, aleatoriu.
2. În primul rând, există vârtejuri mari, care sunt mai mari decât dimensiunea de fuioare de fum. Mișcarea devine inconstant și puternic anizotrop. Fluxurile mari devin instabile și se rup în mai mici și mai mici. Astfel, există o ierarhie de vârtejuri. Energia de mișcare este transferată de la mare la mic, iar la sfârșitul acestui proces dispare - de disipare a energiei are loc la scări mici.
3. Curgerea turbulentă este neregulat: un anumit vortex poate fi într-un loc complet aleator, imprevizibil.
4. Amestecarea de fum cu aerul înconjurător nu are loc sub flux laminar, iar în turbulent - este foarte intens.
5. În ciuda faptului că condițiile limită sunt staționare, turbulența în sine are un pronunțat caracter tranzitoriu - toți parametrii dinamici-gaz se modifică în timp.

Există o altă proprietate importantă turbulenței: este întotdeauna tridimensională. Chiar dacă luăm în considerare fluxul de unidimensionale în țeavă sau stratul limită bidimensional încă mișcare de vârtejuri turbulente apar în direcțiile celor trei axe de coordonate.

Numărul Reynolds: formula

Trecerea de la laminar la turbulență caracterizată prin numărul așa-numitul Reynolds critică:

_{Re cr = (/ μ ρuL)} cr,

unde ρ - densitatea de flux, u - debit caracteristic; L - curgere mărime caracteristică, μ - coeficientul de vâscozitate dinamică, cr - pentru printr - un tub cu o secțiune transversală circulară.

De exemplu, pentru un flux cu u viteză în conductă L este utilizat ca diametrul conductei. Osborne Reynolds a arătat că , în acest caz, 2300 cr <20000. Răspândirea este foarte mare, aproape un ordin de mărime.

Un rezultat similar se obține în stratul limită pe plachetă. Mărimea caracteristică este luată ca distanța de la muchia frontală a plăcii, și apoi: 3 x 10 ⁵ cr <4 x 10 ^4. Dacă L este definit ca grosimea stratului limită, 2700 cr <9000. Există studii experimentale care au arătat că valoarea Re _cr poate fi chiar mai mare.

Conceptul de perturbație vitezei

Laminară și curgerea turbulentă a fluidului, și în consecință, valoarea critică a numărului Reynolds (Re) depinde de un număr mare de factori. Din gradientul de presiune, înălțimea bumps rugozitate, intensitatea turbulenței în fluxul extern, diferența de temperatură, etc. Pentru comoditate, acești factori agregați se numesc viteze perturbație deoarece acestea au o anumită influență asupra debitului. Dacă această tulburare este mic, acesta poate fi soluționat forțele vâscoase care doresc să se alinieze câmpul de viteză. Pentru perturbari mari ale fluxului poate deveni instabil, are loc și turbulențe.

Dat fiind faptul că semnificația fizică a numărului Reynolds - raportul de forțe de inerție și forțe vâscoase, resentiment fluxurile acoperite de formula:

Re = ρuL / μ = ρu ² / (μ x (u / L )).

Numărătorul este de două ori capul vitezei și numitorul - valoarea este de ordinul a stresului frictional, în cazul în care L este luată ca grosimea stratului limită. presiune dinamică tinde să distrugă echilibrul și forțele de frecare se opun acestei. Cu toate acestea, nu este clar de ce forțele de inerție (sau presiunea vitezei) conduc la modificări doar atunci când acestea sunt de 1000 de ori mai multe forțe vâscoase.

Calcule și fapte

Probabil, să fie folosit mai convenabil ca viteza caracteristică Re viteza _cr nu absolută de curgere u, și perturbație viteza. În acest caz, numărul Reynolds critic va fi de aproximativ 10, adică atunci când depășirea perturbatori presiunii dinamice tensiunilor vîscoase peste 5 ori curgerea laminară într-un fluid turbulent fluxuri. Această definiție Re potrivit unor oameni de știință este bine explicată prin următoarele fapte dovedite experimental.

Pentru un profil perfect uniformă de viteză pe o suprafață perfect netedă este determinată în mod tradițional de numărul Re _CR tinde la infinit, care este, de fapt , tranziția are loc la turbulențe. Aici numărul Reynolds este determinat de mărimea vitezei perturbație sub valoarea critică, care este egală cu 10.

În prezența turbulență artificiale, cauzând rata de stropi comparabilă cu rata de bază, fluxul devine numere turbulente la niveluri mult mai mici decât Reynolds Re _CR, determinat de valoarea absolută a vitezei. Acest lucru permite utilizarea coeficientului Re _cr = 10, unde viteza caracteristică este valoarea absolută a perturbației vitezei cauzate de motivele de mai sus.

Stabilitatea regimului de curgere laminar în conducta

Laminară și turbulentă este comună tuturor tipurilor de lichide și gaze în diverse condiții. Caracterul laminar al fluxului sunt rare și sunt caracterizate, de exemplu, pentru înguste fluxuri subterane câmpii. Mult mai mult, această problemă este de preocupare a oamenilor de știință în contextul aplicării practice pentru transportul prin conducte de apă, petrol, gaze și alte fluide.

Q stabilitate flux laminar este strâns legată de studiul deranjat de mișcare de fluxul principal. Acesta sa dovedit a fi afectate de așa-numitele perturbațiile mici. În funcție de faptul dacă acestea cresc sau se atenuează în timp, fluxul de bază este considerată a fi stabilă sau instabilă.

Pentru fluide compresibile și nu comprimabile

Unul dintre factorii care afectează curgerea laminară și turbulentă a fluidului este compresibilitatea. Această proprietate fluid este deosebit de important în studiul stabilității proceselor nestaționare cu schimbare rapidă a curentului primar.

Studiile indică faptul că fluxul de laminare a unui fluid incompresibil în tuburile secțiunii cilindrice este rezistent la axisimetrice și non-axisimetrice perturbări relativ mici, în timp și spațiu.

Recent, calculele sunt efectuate privind influența deregleze rezistența la curgere axisimetric în porțiunea de intrare a tubului cilindric unde curentul principal depinde de cele două coordonate. Axa de coordonate a țevii este considerată ca parametru care influențează profilul de viteză de-a lungul razei conductei de curgere principal.

concluzie

In ciuda secole de studiu, nu putem spune că laminară și turbulentă flux este bine studiată. Studii experimentale la nivel micro, ridică noi probleme care necesită o justificare de calcul motivată. Natura cercetării este aplicarea și utilizarea: mii din lume de kilometri de apă, petrol, gaze și de produs. Soluțiile tehnice mai introdus pentru reducerea turbulenței în timpul transportului, cu atât mai eficient va fi.