Laminar și flux turbulent. Moduri de flux

Studiul proprietăților fluxurilor de lichide și gaze este foarte important pentru serviciile industriale și comunale. Fluxul laminar și turbulent afectează viteza de transport a apei, a petrolului, a gazelor naturale prin conducte de diverse scopuri, afectează alți parametri. Știința hidrodinamicii se ocupă de aceste probleme.

clasificare

Într-un mediu științific, regimurile de curgere a unui lichid și a gazelor sunt împărțite în două clase complet diferite:

• laminar (cu jet);
• turbulent.

De asemenea, distingeți etapa de tranziție. Apropo, termenul "lichid" are o semnificație largă: poate fi incompresibil (este de fapt lichid), compresibil (gaz), conductiv etc.

anamneză

Încă din 1880, Mendeleev și-a exprimat ideea existenței a două regimuri opuse de curgere. Fizicianul și inginerul britanic Osborne Reynolds a studiat această problemă în detaliu, finalizând cercetarea 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 specifici gazelor.

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 țevile care au o secțiune transversală circulară (utilizată pentru montarea conductelor de presiune), numărul său Reynolds - formula stare critică este descrisă după cum urmează: Re = 2300. Pentru un curent de-a lungul unui canal deschis Numărul lui Reynolds altul: Re = 900. La valori mai mici ale lui Re, fluxul va fi ordonat, în general - haotic.

Fluxul laminar

Diferența dintre fluxul laminar și debitul turbulent este în natura și direcția fluxurilor de apă (gaz). Ele se mișcă în straturi, nu amestec și fără pulsații. Cu alte cuvinte, mișcarea trece uniform, fără sărituri ale presiunii, direcției și vitezei.

Debitul lichid de lichid se formează, de exemplu, în unghi îngust vasele de sânge animalelor, capilarelor de plante și în condiții comparabile, în timpul fluxului de lichide foarte vâscoase (păcură prin conductă). Pentru a vedea vizual fluxul de jet, este suficient să se deschidă ușoară robinetul de apă - apa va curge calm, uniform, fără amestecare. Dacă robinetul este rotit până la capăt, presiunea din sistem va crește și curentul va deveni haotic.

Curgere turbulentă

Spre deosebire de fluxul laminar, în care particulele din apropiere se deplasează de-a lungul unor traiectorii paralele, fluxul turbulent al unui lichid este dezordonat. Dacă folosim abordarea Lagrange, traiectoriile particulelor se pot intersecta arbitrar și se comportă destul de imprevizibil. Mișcările de lichide și gaze în aceste condiții sunt întotdeauna nestatornice, iar parametrii acestor stări non-staționare pot avea o gamă foarte largă.

Pe măsură ce regimul laminar al gazului se transformă într-unul turbulent, se poate urmări exemplul unui pic de fum dintr-o țigară arzândă în aer liber. La început, particulele se mișcă practic paralel în traiectoriile invariabile în timp. Fumul pare a fi nemișcat. Apoi, într-un loc apar brusc mari eddi, care se mișcă complet haotic. Aceste vortexuri se sparg pe cele mai mici, cele in chiar mai mici si asa mai departe. În cele din urmă, fumul este practic amestecat cu aerul din jur.

Cicluri de turbulență

Exemplul de mai sus este un manual și, din observația sa, 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. Mai întâi apar vîrtejuri mari, ale căror dimensiuni sunt mai mari decât dimensiunea prafului de fum. Mișcarea devine nestatoristă și puternic anizotropă. Debitele mari pierd stabilitatea și se defalc pe cele mai mici și mai mici. Astfel, apare o ierarhie întreagă de vîrtejuri. Energia mișcării lor este transferată de la mare la mică, iar la sfârșitul acestui proces dispare - există o disipare a energiei la scară mică.
3. Regimul de curgere turbulentă este întâmplător: unul sau altul poate apărea într-un loc complet arbitrar și imprevizibil.
4. Amestecarea fumului cu aerul înconjurător practic nu are loc în condiții laminare, dar când este turbulent, este foarte intensă.
5. În ciuda faptului că condițiile limită sunt staționare, turbulența însăși are caracter pronunțat nestatorist - toți parametrii dinamici dinamice variază în funcție de timp.

Există o altă proprietate importantă a turbulenței: este întotdeauna tridimensională. Chiar dacă considerăm un flux unidimensional într-o conductă sau într-un strat de graniță bidimensional, mișcarea turbinelor turbionare se mișcă încă în direcțiile celor trei axe de coordonate.

Numărul Reynolds: formula

Trecerea de la laminaritate la turbulență se caracterizează prin așa numitul număr Reynolds critic:

re_cr = (rho-uL / micro-)_cr,

unde rho este densitatea fluxului, u este viteza caracteristică a debitului, L este dimensiunea caracteristică a debitului, micro-raport vâscozitate dinamică, cr - curge printr-o conductă cu o secțiune circulară.

De exemplu, pentru un flux cu viteza u într-o conductă, se folosește L diametrul țevii. Osborne Reynolds a arătat că în acest caz 2300 _cr< 20000. Răspândirea este foarte mare, aproape de un ordin de mărime.

Un rezultat similar este obținut în stratul limită de pe placă. Dimensiunea caracteristică este luată de la marginea anterioară a plăcii și apoi: 3 × 10⁵ _cr< 4 × 10⁴. Dacă L este definită ca grosimea stratului de graniță, atunci 2700 _cr< 9000. Există studii experimentale care au arătat că valoarea lui Re_cr poate fi chiar mai mult.

Noțiunea de perturbare a 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 au un anumit efect asupra vitezei fluxului. Dacă această tulburare este mic, acesta poate fi soluționat forțele vâscoase care doresc să se alinieze câmpul de viteză. Pentru perturbații mari, debitul poate pierde stabilitatea și se produce turbulență.

Având în vedere că semnificația fizică a numărului Reynolds este raportul dintre forțele de inerție și forțele de viscozitate, perturbarea fluxurilor intră sub acțiunea formulei:

Re = rho-uL / micro- = rho-u²/ (micro- (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. Presiunea de mare viteză tinde să distrugă echilibrul și forțele de forță contracara asta. Cu toate acestea, nu este clar de ce forțele inerțiale (sau capul de mare viteză) conduc la modificări numai atunci când acestea sunt de 1000 de ori mai mari decât forțele de viscozitate.

Calcule și fapte

Probabil mai convenabil ar fi să utilizați ca viteză caracteristică în Re_cr nu viteza absolută a fluxului u, ci perturbația vitezei. 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 a lui Re în opinia unui număr de oameni de știință explică bine următoarele fapte confirmate experimental.

Pentru un profil de viteză ideal pe o suprafață perfect netedă, numărul determinat tradițional Re_cr tinde spre infinit, adică nu există practic o tranziție la turbulență. Dar numărul Reynolds, determinat de magnitudinea perturbației vitezei, este mai mic decât cel critic, care este egal cu 10.

În prezența turbulenței artificiale, provocând o explozie de viteză comparabilă cu viteza principală, debitul devine turbulent la un număr mult mai redus de Reynolds decât Re_cr, determinată de valoarea absolută a vitezei. Acest lucru ne permite să folosim valoarea coeficientului Re_cr = 10, unde, ca viteză caracteristică, se folosește valoarea absolută a perturbației vitezei cauzată de cauzele de mai sus.

Stabilitatea fluxului laminar în conductă

Fluxurile laminare și turbulente sunt tipice pentru toate tipurile de lichide și gaze în diferite condiții. În natură, fluxul laminar apare rar și este caracteristic, de exemplu, pentru fluxurile înguste subterane în condiții plate. Această problemă este mult mai importantă pentru oamenii de știință în contextul aplicării practice a transportului apei, a petrolului, a gazelor și a altor fluide tehnice prin conducte.

Stabilitatea fluxului laminar este strâns legată de studiul mișcării perturbate a fluxului principal. Se constată că este supus acțiunii așa-numitelor perturbații mici. În funcție de faptul dacă acestea se estompează sau se dezvoltă cu timpul, curentul principal este considerat stabil sau instabil.

Fluxul de lichide comprimabile și necomprimabile

Unul dintre factorii care afectează fluxul laminar și turbulent al unui fluid este compresibilitatea acestuia. Această proprietate a unui lichid este deosebit de importantă în studiul stabilității proceselor non-staționare, cu o schimbare rapidă în fluxul de sol.

Studiile arată că fluxul laminar al unui fluid incompresibil în tuburile cilindrice este rezistent la perturbații relativ mici, axiometrice și non-axiometrice, 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. Coordonarea de-a lungul axei conductei este considerată ca un parametru pe care profilul de viteză depinde de raza conductei principale de curgere.

producție

In ciuda secole de studiu, nu putem spune că laminară și turbulentă flux este bine studiată. Cercetarea experimentală la nivel micro ridică noi întrebări care necesită o rațiune argumentată. Natura cercetării este aplicarea și utilizarea: mii din lume de kilometri de apă, petrol, gaze și de produs. Cu cât mai multe soluții tehnice pentru a reduce turbulențele în timpul transportului, cu atât vor fi mai eficiente.