544 Shares 7922 views

Przepływ laminarny i burzliwy. reżimy przepływu płynu

Badając właściwości przepływu cieczy i gazów jest bardzo ważne dla przemysłu i obiektów użyteczności publicznej. Przepływu laminarnego i turbulentnego przepływu wpływ na szybkość transportu wody, oleju, gazociągi, do różnych zastosowań, wpływa na inne parametry. Te problemy zrobić hydrodynamiki naukowych.

klasyfikacja

W środowisku naukowym warunków przepływu płynów i gazów, są podzielone na dwa różne klasy:

  • laminarnego (atramentowej);
  • burzliwy.

Również wyróżnić etap przejściowy. Nawiasem mówiąc, określenie „ciecz” ma szerokie znaczenie: może być nieściśliwy (płyn rzeczywiście jest), ściśliwy (gaz), przewodząca, etc …

Historia przypadek

Innym Mendelejewa 1880 idea istnienie dwóch odmiennych warunków przepływu wyrażono. Aby uzyskać więcej informacji na ten temat zbadał brytyjski fizyk i inżynier Osborne Reynolds, którzy ukończyli badanie w 1883 roku. Po pierwsze, w praktyce, a następnie przy użyciu formuł Stwierdzono, że przy małej prędkości przepływu transport cieczy staje się laminarny forma dla warstw (przepływ cząstek) prawie nie mieszać i poruszać się wzdłuż równoległych ścieżek. Jednakże, po pokonaniu określonej wartości krytycznej (dla różnych warunków jest inny), zmienia się warunki przepływu cieczy tytułowy liczba Reynoldsa: przepływ wirowy strumień się chaotycznie – tj turbulentny. Jak się okazało, te parametry są w pewnym stopniu nieodłącznym i gazy.

Praktycznych obliczeń naukowca angielskiego wykazali, że zachowanie, na przykład, woda, w dużym stopniu zależy od kształtu i wymiarów zbiornika (rury, kanały, kapilar, etc.), w którym płynie. W rury o kołowym przekroju poprzecznym (np służący do mocowania przewodów ciśnienia), jego liczba Reynoldsa – skład w stanie krytycznym jest opisany w następujący sposób: Re = 2300. W celu otwarcia kanałów przepływu liczby Reynoldsa jest inna: Re = 900. Przy mniejszych wartościach Re jest zamawiany, na wolności – chaotyczne.

przepływ laminarny

W przeciwieństwie do turbulentny przepływ laminarny charakter i w kierunku wody (gaz) przepływa. Poruszają się warstwy bez mieszania i bez pulsacji. Innymi słowy, ruch odbywa się równomiernie bez niekonsekwentny skokami w kierunku ciśnienia i prędkości.

Laminarnego przepływu płynu jest tworzony, na przykład w wąskich naczyń krwionośnych w żywych organizmów, kapilar roślin i w porównywalnych warunkach, przy prądzie o bardzo lepkich płynów (oleju opałowego przez przewód). W celu uwidocznienia przepływu strumienia jest wystarczająca, aby odsłonić mały zawór – woda spokojnie przepływać równomiernie, bez mieszania. Jeśli odkręcić czop do końca, ciśnienie w instalacji wzrośnie i przepływ będzie chaotyczne.

przepływ turbulentny

W przeciwieństwie do laminarnego, w której cząstki poruszają się sąsiednich ścieżek zasadniczo równoległych burzliwy przepływ płynu w nieładzie charakter. Jeśli używamy metody Lagrange'a, trajektorie cząstek mogą dowolnie nakładać i zachowują się zupełnie nieprzewidywalnie. Przepływ cieczy i gazu w tych warunkach są zawsze przejściowy, przy czym te parametry nonstationarities może mieć szeroki zakres.

Gdy strumień przepływu laminarnego do turbulentnego gazów pochodzących ustrojowych może być monitorowany przez przykład kosmyki dymu z palącego się papierosa w nieruchomym powietrzu. Początkowo, cząstki poruszają się prawie równoległe ścieżki niezmienne w czasie. Dym wydaje się stała. Wtedy w pewnym momencie nagle istnieją duże wiry, które poruszają się całkowicie losowo. Te wiry rozpadają się na mniejsze – na jeszcze mniejsze i tak dalej. W końcu praktycznie dym miesza się z otaczającym powietrzem.

cykle turbulencji

Powyższy przykład jest podręcznikiem, a od jego obserwacji naukowcy dokonali następujących wniosków:

  1. Przepływ laminarny i turbulentny jest probabilistyczny charakter: przejście z jednego trybu do drugiego nie jest we właściwym miejscu, a w dość arbitralne, losowej lokalizacji.
  2. Po pierwsze, istnieją duże wiry, które są większe niż rozmiar smugi dymu. Ruch staje się niestabilny i silnie anizotropowe. Duże przepływy stać się niestabilny i rozpadają się na mniejsze. Tak więc, istnieje hierarchia wirów. Energia ruch jest przenoszony od dużych do małych, a na końcu tego procesu znika – rozpraszanie energii występuje w małych skalach.
  3. Przepływ turbulentny jest zmienna: szczególna wirowe mogą być całkowicie losowe, nieprzewidywalne miejscu.
  4. Mieszanie dym z otaczającego powietrza nie odbywa się przy przepływie laminarnym, a burzliwy – jest bardzo intensywny.
  5. Pomimo faktu, że warunki brzegowe są nieruchome, sama turbulencja ma wyraźny charakter przejściowy – wszystkie parametry gazu dynamiczne zmiany w czasie.

Jest to kolejna ważna właściwość turbulencji: zawsze jest trójwymiarowy. Nawet jeśli weźmiemy pod uwagę przepływ jednowymiarowy w rurze lub dwuwymiarowej warstwie granicznej nadal ruch turbulentne wiry występują w kierunkach trzech osi współrzędnych.

Liczba Reynoldsa: wzór

Przejście od laminarnego turbulencji charakteryzują się tzw krytycznej liczby Reynoldsa:

Ponownie Cr (ρuL / u) Cr

gdzie ρ – gęstość strumienia, U – przepływ właściwości; L – przepływ charakterystycznej wielkości, μ – współczynnik lepkości dynamicznej, Cr – przez rurkę o okrągłym przekroju poprzecznym.

Przykładowo, dla przepływu z prędkością U w rurze L jest stosowany jako średnicy rury. Osborne Reynolds wykazały, że w tym przypadku 2300 <Re cr <20000. Spread jest bardzo duża, prawie o rząd wielkości.

Podobny wynik uzyskuje się w warstwie granicznej na płytki. Charakterystyczne wielkości przyjmuje się jako odległość od przedniej krawędzi płyty, a następnie 3 x 10 może <Re Cr <4 x 10 kwietnia. Jeśli L ma znaczenie zdefiniowane jak grubość warstwy granicznej, 2700 <Re Cr <9000. Przeprowadzono badania eksperymentalne wykazały, że stosunek Re cr może być jeszcze większa.

Pojęcie prędkości perturbacji

Przepływu laminarnego i turbulentnego przepływu płynu, a w związku z czym krytyczna wartość liczby Reynoldsa (Re) zależy od wielu czynników. Na gradient ciśnienia, wysokość guzków szorstkości intensywności turbulencji w strumieniu zewnętrznego różnicy temperatur, itp dla wygody, te zbiorcze czynniki nazywane prędkość zaburzeń ponieważ mają pewien wpływ na szybkość przepływu. Jeśli to zaburzenie jest mała, to może być rozliczane lepkich sił dążących do wyrównania pola prędkości. Na duże perturbacje przepływu może stać się niestabilny, a turbulencja występuje.

Biorąc pod uwagę, że fizyczne znaczenie liczby Reynoldsa – stosunek sił bezwładności i siły lepkości, urazy przepływów objęte wzorem:

Re = ρuL / μ = ρu 2 / (μ x (U / l )).

Licznik jest dwukrotnie większa od prędkości głowicy i mianownik – wartość jest rzędu naprężenia tarcia, jeżeli L jest traktowana jako grubość warstwy granicznej. Ciśnienie dynamiczne dąży do zniszczenia wagi oraz cierne siły przeciwstawić to. Jednak nie jest jasne, dlaczego siły bezwładności (lub ciśnieniowych) doprowadzić do zmiany tylko wtedy, gdy są 1000 razy więcej siły lepkości.

Obliczenia i fakty

Zapewne bardziej korzystnie stosować jako charakterystyczny szybkość Re nie CR bezwzględna prędkość przepływu U, i zaburzenie prędkości. W tym przypadku liczba Reynoldsa krytyczna wynosi około 10, to znaczy po przekroczeniu przez ciśnienie lepkości dynamicznej zakłóceń naprężeń ponad 5 razy większy od przepływu laminarnego do turbulentnego przepływu płynu. Ta definicja Re według niektórych naukowców jest dobrze wyjaśnione przez następujące doświadczalnie sprawdzonych faktów.

Przez całkowicie jednolity profil prędkości na doskonale gładkiej powierzchni jest tradycyjnie określana przez liczbę Re cr dąży do nieskończoności, to jest przejście faktycznie występuje na turbulencje. W tym przypadku liczba Reynoldsa jest określona przez wielkość prędkości zaburzeń poniżej wartości krytycznej, która jest równa 10.

W obecności sztucznego turbulencji, powodując szybkość powitalny porównywalną z podstawową szybkością, przepływ staje się burzliwy w znacznie niższej liczbie Reynoldsa Re niż Cr, wyznaczane na podstawie wartości bezwzględnej prędkości. Pozwala to na wykorzystanie współczynnika Re Cr = 10, gdzie prędkość charakterystyczną jest wartość bezwzględna prędkości zaburzeń spowodowanych przez wyżej powodów.

Stabilność reżimu przepływu laminarnego w rurociągu

Przepływu laminarnego i turbulentnego przepływu jest wspólny dla wszystkich typów płynów i gazów w różnych warunkach. Przepływu laminarnego charakteru strumienia są rzadkie i charakteryzują się, na przykład, do wąskich strumieni podziemnych polach. Znacznie więcej, kwestia ta budzi obawy naukowców w kontekście praktycznego zastosowania do transportu wody przez rurociąg ropy naftowej, gazu i innych płynów.

P stabilność przepływ laminarny jest ściśle związane z badanym zakłócenia ruchu głównego przepływu. Stwierdzono zostać dotknięte tak zwanych małych perturbacji. W zależności od tego, czy rosną lub zanikać w miarę upływu czasu, podstawowy przepływ jest uważane za stabilne lub niestabilne.

Dla płynów ściśliwych i nie kompresyjnych

Jednym z czynników wpływających na laminarny i turbulentny przepływ płynu jest jej ściśliwość. Ta właściwość płynu jest szczególnie ważna w badaniach stabilności procesów niestacjonarnych gwałtownych zmian prądu pierwotnego.

Badania wskazują, że laminarny przepływ płynu nieściśliwego w rurach cylindrycznej sekcji jest odporne na stosunkowo małych osiowosymetrycznych i nie osiowosymetrycznych zakłóceń w czasie i przestrzeni.

Ostatnio, obliczenia są przeprowadzane na wpływ zakłóceń na opór przepływu symetryczne osiowo w części wlotu rury cylindrycznej, gdzie główny prąd zależny od dwóch współrzędnych. Oś współrzędnych rury jest uważana za parametr, który wpływa na profil prędkości wzdłuż promienia głównego przewodu przepływowego.

wniosek

Pomimo wieków badań, nie możemy powiedzieć, że laminarny i turbulentny przepływ jest dokładnie badane. Badania doświadczalne na poziomie mikro, wnoszą nowe kwestie wymagające uzasadnioną obliczeniowy uzasadnienia. Charakter badań jest zastosowanie i zastosowanie: na świecie tysiące kilometrów od wody, oleju, gazu i produktu. Im dłużej wprowadzane rozwiązania techniczne dla redukcji turbulencji podczas transportu, tym bardziej skuteczny będzie.