Laminární a turbulentní proudění. režimy proudění tekutin

Studovat vlastnosti kapalin a plynů toku je pro průmysl a veřejné služby velmi důležité. Laminární a turbulentní proudění vliv na rychlost vodní dopravy, ropy, zemního plynu potrubí pro různé účely, má vliv na další parametry. Tyto problémy dělat vědu hydrodynamiky.

klasifikace

Ve vědecké prostředí režimů proudění tekutiny a plyny, jsou rozděleny do dvou velmi odlišných tříd:

• laminární (inkoustový);
• turbulentní.

Také rozlišovat přechodné etapy. Mimochodem, termín „tekutý“ má široký význam, může to být nestlačitelná (kapalina je ve skutečnosti), stlačitelný (plyn), vodivý, atd ...

anamnéza

Další Mendeleev v roce 1880 myšlenka na existenci dvou protilehlých režimu proudění byl vyjádřen. Pro více informací o této problematice zkoumal britský fyzik a inženýr Osborne Reynolds, kteří dokončili studii v roce 1883. Za prvé, v praxi, a pak pomocí vzorců se zjistí, že při nízké průtokové rychlosti kapaliny dopravy stává laminární forma: vrstvy (proudu částic) je téměř nemísí a pohybovat podél paralelních drahách. Nicméně, po překonání určité kritické hodnoty (pro různé podmínky se liší), dojde ke změně názvu Reynoldsovo číslo podmínky pro měření průtoku kapalin: tok tryska stává chaotický vír - tj turbulentní. Jak se ukázalo, tyto parametry jsou do určité míry vlastní a plyny.

Praktické anglický vědec výpočty ukázaly, že chování, například, voda, je velmi závislé na tvaru a rozměrům nádrže (potrubí, kanály, kapilár a podobně), ve kterém teče. V potrubí, které mají kruhový průřez (například používá pro montáž tlakovým potrubím), její Reynoldsovo číslo - vzorec kritického stavu, je popsána následovně: Re = 2300. Aby bylo možné otevřít kanál toku Reynoldsova čísla se liší: Re = 900. Pro menší hodnoty pro Re je nařízeno, zeširoka - chaotická.

laminární proudění

Na rozdíl od turbulentní laminární proudění je povaha a směr vody (plyn) toky. Pohybují vrstev bez míchání a bez pulzací. Jinak řečeno, dojde k pohybu rovnoměrně bez bludných skoků ve směru tlaku a rychlosti.

Laminární proudění tekutiny je tvořen, například, v úzkých cév živých organismů rostliny kapiláry a za srovnatelných podmínek a při proudu velmi viskózních kapalin (topný olej přes potrubí). Pro vizualizaci proudění tryskového stačí odhalit trochu kohoutek - voda poteče tiše, rovnoměrně, bez míchání. Pokud vyšroubovat kohoutek až do konce, bude tlak v systému vzroste a tok stane chaotické.

turbulentní proudění

Na rozdíl od laminární, přičemž sousední částice pohybují podél v podstatě paralelních cest, turbulentní proudění tekutiny je neuspořádaná přírodě. Použijeme-li přístup Lagrangeova, trajektorie částic mohou libovolně překrývat a chovají zcela nepředvídatelně. Pohyb kapalin a plynů, za těchto podmínek, jsou vždy přechodné, s těmito parametry nonstationarities mohou mít velmi široké spektrum.

Vzhledem k tomu, laminární proudění plynu do režimu turbulentního probíhá, může být monitorována například pramínky dým z hořící cigarety na klidném vzduchu. Zpočátku se částice pohybují téměř paralelní cesty beze změny v čase. Kouř se zdá být opraveno. Pak v určitém okamžiku najednou tam jsou velké víry, které se pohybují zcela náhodně. Tyto víry rozdělit do menších - na ještě menší, a tak dále. Na konci, prakticky kouř se mísí s okolním vzduchem.

turbulence cykly

Výše uvedený příklad je učebnice, ale i od svých pozorování vědci učinili následující závěry:

1. Laminární a turbulentní proudění jsou pravděpodobnostní charakter: přechod z jednoho režimu do druhého, není přesně na správném místě, a v poměrně libovolném, náhodné umístění.
2. Za prvé, existují velké víry, které jsou větší než velikost obláčky kouře. Pohyb se stává nestabilní a silně anizotropní. Velké toky nestabilní a rozpadnout na menší a menší. Proto existuje hierarchie vírů. Energie pohyb se přenáší od velkého k malému, a na konci tohoto procesu zmizí - tlumení energie se vyskytuje v malých měřítkách.
3. Turbulentní proudění kolísá: konkrétní vír může být zcela náhodné, nepředvídatelné místo.
4. Směšování kouře okolním vzduchem neprobíhá pod laminárním prouděním, a v turbulentní - je velmi náročné.
5. Navzdory tomu, že okrajové podmínky jsou stacionární, turbulence sám má výrazný je přechodná - všechny parametry plynové dynamické změny v průběhu času.

Tam je další důležitou vlastností turbulence: Vždy je trojrozměrný. Dokonce i když vezmeme v úvahu jednorozměrného proudění v potrubí nebo dvojrozměrné mezní vrstvě stále pohyb turbulentních vírů se vyskytují ve směrech tří souřadných os.

Reynoldsovo číslo: vzorec

Přechod od laminárního turbulence charakterizována tzv kritické Reynoldsova čísla:

_{Re = cr (ρuL / u)} cr,

kde ρ - proud hustota, u - průtok charakteristika; L - průtok charakteristické velikosti, μ - koeficient dynamické viskozity, kr - pro trubkou s kruhovým průřezem.

Například, pro proudění s rychlostí u v potrubí L se používá jako průměr trubky. Osborne Reynolds ukázala, že v tomto případě 2300 cr <20.000. Rozpětí je velmi velký, téměř o řád.

Podobný výsledek se získá v hraniční vrstvě na oplatky. Charakteristická velikost je vzdálenost od přední hrany desky, a pak 3 x ¹⁰ květen cr <4 x ^{do 10.} dubna. Pokud L je definován jako tloušťka mezní vrstvy, 2700 cr <9.000. Existuje experimentálních studií, které prokázaly, že hodnota Re _ČR může být ještě větší.

Koncept rychlosti rozrušení

Laminární a turbulentní proudění tekutiny, a v souladu s tím kritická hodnota Reynoldsova čísla (Re) závisí na velkém množství faktorů. Z tlakového gradientu, výška drsnosti hrboly, intenzity turbulence ve vnějším proudu, rozdílu teplot, atd Pro pohodlí jsou tyto agregační faktory se nazývají rychlost odchylka protože mají určitý vliv na průtoku. Pokud se tato porucha je malé, to může být vyřešena viskózní síly snažící se vyrovnat rychlostního pole. Pro velké perturbace průtoku se může stát nestabilní, dojde i turbulence.

Vzhledem k tomu, že fyzikální význam Reynoldsova čísla - poměr setrvačných sil a viskózních sil, odpor toků vztahuje podle vzorce:

Re = ρuL / μ = ρu ² / (μ x (U / l )).

Čitatel je dvakrát hlava rychlost a jmenovatel - hodnota je řádově třecího zatížení, pokud L je vzat jako tloušťka mezní vrstvy. Dynamický tlak má tendenci ke zničení váhy a třecí síly proti této. Nicméně, to je jasné, proč síly setrvačnosti (nebo tlaku rychlost) vést ke změnám pouze tehdy, když je 1000 krát více viskózní síly.

Výpočty a fakta

Pravděpodobně, více výhodně použít jako charakteristická rychlosti Re _ČR není absolutní rychlost proudění u a poruchová rychlost. V tomto případě je rozhodující Reynoldsovo číslo bude asi 10, to znamená při překročení dynamický tlak poruchové viskózní namáhání přes 5-ti násobku laminární proudění do turbulentního proudění tekutin. Tato definice Re podle některých vědců je dobře vysvětlit pomocí následujících experimentálně ověřených faktů.

Pro dokonale jednotný profil rychlosti na dokonale hladký povrch je tradičně určena počtem Re _cr tendenci růst do nekonečna, to znamená, že přechod ve skutečnosti dochází k turbulenci. Zde Reynoldsovo číslo je určeno velikosti rychlosti odchylky pod kritickou hodnotu, která se rovná 10.

V přítomnosti umělého turbulence, což úvodní srovnatelná se základní rychlostí, tok stane se turbulentní při mnohem nižší než Reynoldsova čísla Re _ČR, stanovené z absolutní hodnoty rychlosti. To umožňuje použití koeficientu Re _cr = 10, kde je charakteristická rychlost je absolutní hodnota rychlosti perturbace způsobené výše uvedených důvodů.

Stabilita režimu laminární proudění v potrubí

Laminární a turbulentní proudění, je společná pro všechny typy kapalin a plynů, za různých podmínek. Laminární charakter proudění jsou vzácné a jsou charakterizovány, například pro úzké podzemní proudy rovinách. Mnohem víc, tento problém se dotýká vědců v souvislosti s praktickou aplikací přepravován do plynovodní sítě vody, ropy, zemního plynu a jiných tekutin.

Q stabilita laminární proudění je úzce souvisí s studie narušen pohyb hlavního proudu. Bylo zjištěno, že jsou postiženy tzv malé odchylky. V závislosti na tom, zda roste či slábnout v průběhu času, základní proud je považován za stabilní nebo nestabilní.

Pro stlačitelné nikoli stlačitelných tekutin

Jedním z faktorů, které mají vliv na laminární a turbulentní proudění tekutiny je jeho stlačitelnost. Tato tekutina vlastnost je obzvláště důležitá ve studii stability nestacionárních procesů s rychlou změnou primárního proudu.

Studie ukazují, že laminární proudění nestlačitelné tekutiny v trubkách válcové části je odolný vůči relativně malých osově souměrné a non-osově souměrné poruchy v čase a prostoru.

V poslední době, výpočty jsou prováděny na vlivu poruch na odporu osově souměrné proudění ve vstupní části válcové trubice, kde hlavní proud je závislý na dvou souřadnicích. Souřadnice osa trubky je považována za parametr, který má vliv na profil rychlosti podél poloměru hlavního průtoku potrubí.

závěr

Přes staletí studie, nemůžeme říci, že laminární a turbulentní proudění je důkladně zkoumán. Experimentální studie na mikroúrovni, vyvolávají nové otázky vyžadující odůvodněné výpočtu zdůvodnění. Z povahy výzkumu je aplikace a využití: světoví tisíce kilometrů vody, ropy, zemního plynu a produktu. Čím delší je zavedená technická řešení pro snížení turbulence v průběhu přepravy, tím účinnější bude.