Flux laminar i turbulent. els règims de flux de fluids

L'estudi de les propietats dels líquids i gasos flux és molt important per a la indústria i els serveis públics. La laminar i el flux turbulent efecte sobre la taxa de transport d'aigua, oli, canonades de gas natural per a diversos fins, afecta els altres paràmetres. Aquests problemes fan hidrodinàmica ciència.

classificació

En l'ambient científic dels règims de flux de fluids i gasos es divideixen en dues classes molt diferents:

• laminar (raig de tinta);
• turbulent.

També distingir etapa de transició. Incidentalment, el terme "líquid" té un significat ampli: pot ser incompressible (líquid és en realitat), un compressible (gas), conductor, etc ...

història clínica

Una altra Mendeleev en 1880, es va expressar la idea de l'existència de dos règims de flux oposades. Per a més detalls sobre aquest tema examinat el físic i enginyer britànic Osborne Reynolds que van completar l'estudi en 1883. En primer lloc, en la pràctica, i tot seguit, utilitzant les fórmules que es va trobar que a un cabal baix de transport de líquid es converteix en forma laminar: capes (flux de partícules) gairebé no es barrejar i moure al llarg de trajectòries paral·leles. No obstant això, després de superar un cert valor crític (per a diferents condicions és diferent), es canvien les condicions de flux de líquid títol número de Reynolds: el flux de raig es torna caòtic vòrtex - és a dir, turbulent. Al final va resultar que, aquests paràmetres són en certa mesura inherent i gasos.

Pràctics càlculs científic anglès van mostrar que el comportament de, per exemple, aigua, depèn de la forma i les dimensions del tanc (canonades, canals, capil·lars, etc.), en la qual flueix altament. En tubs que té una secció transversal circular (com s'usa per al muntatge de canonada de pressió), el seu nombre de Reynolds - la fórmula de l'estat crític es descriu com segueix: Re = 2300. Per tal d'obrir el canal de flux del nombre de Reynolds és diferent: Re = 900. Per valors més petits per Re s'ordena, en general - caòtica.

flux laminar

A diferència d'un turbulent flux laminar és la naturalesa i la direcció d'aigua (gas) flueix. Es mouen les capes sense barrejar i sense pulsacions. En altres paraules, el moviment té lloc de manera uniforme i sense salts erràtics en la direcció de la pressió i la velocitat.

el flux de fluid laminar està formada, per exemple, en estrets vasos sanguinis dels éssers vius, els capil·lars plantes i en condicions comparables, a un corrent de líquids molt viscosos (oli combustible a través de la canonada). Per visualitzar el flux del raig és suficient per revelar un copet - aigua fluirà en veu baixa, de manera uniforme, sense barrejar. Si descargolar l'espiga fins al final, la pressió del sistema s'elevarà i el flux es convertirà caòtic.

flux turbulent

A diferència d'un laminar, en el qual les partícules veïnes es mouen al llarg de trajectòries substancialment paral·leles, un flux turbulent del fluid és la naturalesa desordenada. Si utilitzem el mètode de Lagrange, les trajectòries de les partícules de forma arbitrària poden superposar i es comporten de forma bastant imprevisible. El moviment de líquids i gasos en aquestes condicions són sempre transitòria, amb aquests paràmetres nonstationarities poden tenir un rang molt ampli.

A mesura que el flux de gas laminar en el producte règim turbulent, pot ser supervisada pels exemples de volutes de fum d'una cigarreta encesa en aire en repòs. Inicialment, les partícules es mouen camins gairebé paral·lels sense canvis en el temps. El fum sembla fix. A continuació, en algun moment, de sobte, hi ha grans remolins que es mouen completament a l'atzar. Aquests vòrtex es trenquen en altres més petits - en encara més petit i així successivament. Al final, pràcticament fumar barreja amb l'aire circumdant.

cicles de turbulència

L'exemple anterior és un llibre de text, i de les seves observacions els científics han fet les següents conclusions:

1. Flux laminar i turbulent són de naturalesa probabilística: la transició d'una manera a un altre no és exactament en el lloc correcte, i en una ubicació bastant arbitrària, aleatòria.
2. En primer lloc, hi ha grans vòrtex que són més grans que la mida de les volutes de fum. Moviment es torna inestable i fortament anisotròpic. Grans fluxos es tornen inestables i es trenquen en petits i més petits. Per tant, hi ha una jerarquia de remolins. L'energia de moviment es transfereix de gran a petit, i al final d'aquest procés desapareix - dissipació d'energia es produeix en petites escates.
3. El flux turbulent és irregular: un vòrtex en particular pot estar en un lloc completament a l'atzar, impredictible.
4. Barreja de fum amb l'aire ambient no té lloc sota flux laminar i turbulent en - és molt intens.
5. Tot i que les condicions de contorn són estacionàries, la turbulència en si té un transitori pronunciada a la natura - tots els paràmetres de gas dinàmic canvien amb el temps.

Hi ha una altra propietat important de la turbulència: sempre és tridimensional. Fins i tot si tenim en compte el flux unidimensional en el tub o capa límit bidimensional segueix el moviment dels remolins turbulents es produeixen en les direccions dels tres eixos de coordenades.

nombre de Reynolds: la fórmula

La transició de laminar a la turbulència caracteritza pel denominat nombre de Reynolds crític:

_{Re (/ μ ρuL) cr =} Cr,

on ρ - corrent de densitat, o - velocitat de flux característica; L - Flux de mida característic, μ - el coeficient de viscositat dinàmica, cr - per per un tub amb una secció transversal circular.

Per exemple, per a un flux amb o velocitat en el tub en L s'utilitza com el diàmetre de la canonada. Osborne Reynolds va demostrar que en aquest cas, 2300 cr <20000. La propagació és molt gran, gairebé un ordre de magnitud.

Un resultat similar s'obté en la capa límit sobre l'hòstia. La mida característic es pren com la distància des de la vora frontal de la placa i, a continuació: 3 × 10 ⁵ cr <4 × 10 ^4. Si L es defineix com el gruix de la capa límit, el 2700 cr <9,000. Hi ha estudis experimentals que han demostrat que el valor de Re _cr pot ser encara més gran.

El concepte de pertorbació de la velocitat

La laminar i el flux de fluid turbulent, i en conseqüència, el valor crític del nombre de Reynolds (Re) depèn d'un gran nombre de factors. Des del gradient de pressió, l'alçada de la pell de rugositat, la intensitat de la turbulència en el flux extern, la temperatura diferencial, etc. Per conveniència, aquests factors agregats s'anomenen velocitat de pertorbació ja que tenen una certa influència en el cabal. Si aquesta pertorbació és petita, pot ser resolta forces viscoses que busquen alinear el camp de velocitats. Per a les grans pertorbacions del flux pot arribar a ser inestable, i es produeixen turbulències.

Atès que el significat físic del nombre de Reynolds - la relació de forces d'inèrcia i les forces viscoses, ressentiment fluxos cobert per la fórmula:

Re = ρuL / μ = ρu ² / (μ x (u / L )).

El numerador és el doble de la càrrega de velocitat i el denominador - el valor és de l'ordre de la tensió de fricció, si L es pren com el gruix de la capa límit. La pressió dinàmica tendeix a destruir l'equilibri i les forces de fricció s'oposen a això. No obstant això, no està clar per què les forces d'inèrcia (o pressió de la velocitat) condueixen a canvis només quan són 1000 vegades més forces viscoses.

Càlculs i fets

Probablement, més convenientment ser utilitzat com una velocitat característica Re _Cr no absoluta velocitat de flux u, i la pertorbació de la velocitat. En aquest cas, el nombre de Reynolds crític serà d'aproximadament 10, és a dir, quan excedeixi dels esforços viscosos pertorbació de la pressió dinàmica de més de 5 vegades el flux laminar en un fluid flueix turbulents. Aquesta definició Re segons alguns científics està ben explicat pels següents fets comprovats experimentalment.

Per a un perfil de velocitat perfectament uniforme sobre una superfície perfectament llisa es determina tradicionalment pel nombre Re _cr tendeix a infinit, és a dir, la transició es produeix realment a la turbulència. Aquí el nombre de Reynolds es determina per la magnitud de la velocitat de pertorbació per sota del valor crític, que és igual a 10.

En presència de turbulència artificial, causant taxa de xapoteig comparable amb la taxa bàsica, el flux es torna molt més baixos nombres de Reynolds turbulents que Re _cr, determinats a partir del valor absolut de la velocitat. Això permet l'ús del coeficient de Re _cr = 10, on la velocitat característica és el valor absolut de la pertorbació velocitat causada per les raons anteriors.

Estabilitat del règim de flux laminar a la canonada

El flux laminar i turbulent és comú a tots els tipus de líquids i gasos en diverses condicions. La naturalesa laminar del flux són rars i es caracteritzen, per exemple, per estretes planes corrents subterrànies. Molt més, aquest tema és motiu de preocupació dels científics en el context d'aplicació pràctica per al transport per canonada d'aigua, petroli, gas i altres fluids.

Q estabilitat de flux laminar està estretament relacionat amb l'estudi pertorba el moviment del flux principal. Es va trobar a ser afectats per les anomenades pertorbacions petites. Depenent de si creixen o s'esvaeixen amb el temps, el flux bàsic és considerat com estable o inestable.

Per fluids compressibles i no compressibles

Un dels factors que afecten la laminar i el flux de fluid turbulent és la seva compressibilitat. Aquesta propietat del fluid és particularment important en l'estudi de l'estabilitat dels processos no estacionaris amb canvi ràpid en el corrent primària.

Els estudis indiquen que el flux laminar d'un fluid incompressible en els tubs de la secció cilíndrica és resistent a relativament petites pertorbacions de revolució i no de revolució en temps i espai.

Recentment, els càlculs es duen a terme sobre la influència de pertorbacions en la resistència al flux de simetria axial en la porció d'entrada del tub cilíndric on el corrent principal és dependent de les dues coordenades. L'eix de coordenades de la canonada es considera com el paràmetre que afecta el perfil de velocitat al llarg del radi del tub de flux principal.

conclusió

Tot i segles d'estudi, no podem dir que el flux laminar i turbulent és estudiat a fons. Estudis experimentals sobre el nivell micro, plantegen noves qüestions que requereixen una justificació raonada de càlcul. La naturalesa de la investigació és l'aplicació i ús: milers en el món de quilòmetres d'aigua, petroli, gas i productes. Les solucions tècniques més llarg sigui el introduïts per a la reducció de la turbulència durant el transport, més eficaç serà.