Untersuchung der Eigenschaften von Flüssigkeit und Gas fließt ist für die Industrie und öffentliche Versorgungsunternehmen sehr wichtig.Die laminare und turbulente Strömungen beeinflusst die Geschwindigkeit des Transports von Wasser, Öl, Erdgas-Pipelines für verschiedene Anwendungen, wirkt sich auf die anderen Parameter.Diese Probleme der Wissenschaft der Hydrodynamik.
Klassifizierung
Das wissenschaftliche Umfeld Strömungsregime von Flüssigkeiten und Gasen in zwei völlig verschiedene Klassen eingeteilt:
- laminare Strömung (jet);
- turbulent.
auch unterscheiden Gangsphase.Übrigens ist der Begriff "Flüssigkeit" ist breit zu verstehen: Es kann nicht komprimierbar sein (es ist tatsächlich eine Flüssigkeit), komprimierbaren (Gas), der Durchführung, und so weiter D.
Hintergrund
weiterer Mendelejew im Jahre 1880, wurde vorgeschlagen.Die Existenz von zwei gegenüberliegenden Modi Trends.Weitere Details zu diesem Thema untersucht die britische Physiker und Ingenieur Osborne Reynolds, eine Studie im Jahr 1883.Erstens praktisch, und verwenden Sie dann die Formel, fand er, dass bei niedriger Geschwindigkeit die Strömung laminare Strömung von Flüssigkeiten Form: Schichten (Ströme von Partikeln) ist fast gemischt und bewegen sich entlang parallelen Bahnen.Jedoch nach Überwindung eines bestimmten kritischen Wert (für unterschiedliche Bedingungen es anders ist), genannt der Reynolds-Zahl der Fluidströmung Regime Ändern der Strahlstrom wird chaotischen Wirbel - das ist turbulent.Es wurde gefunden, dass diese Parameter sind typisch in einem gewissen Ausmaß und Gasen.
praktische Berechnungen britische Wissenschaftler haben, daß das Verhalten gezeigt, zum Beispiel Wasser, ist stark abhängig von der Form und Größe des Behälters (Rohre, Kanäle, Kapillaren, etc.), bei denen es fließt.Für die Strömung des offenen Kanälen Reynolds-Zahl mehr Re = 2300: - die Rohre mit einem kreisförmigen Querschnitt (diese sind für die Montage Druckleitungen verwendet wird), seine Reynoldszahl wird die Formel der kritischen Zustand, wie beschrieben, Re = 900. Bei niedrigeren Werten von Re für bestellt wird,auf freiem Fuß - chaotisch.
Laminar-Flow
Unterschied zwischen laminaren Strömung Turbulenz in der Art und Richtung des Wasser (Gas) fließt.Sie bewegen sich Schichten ohne Vermischung und ohne Pulsationen.Mit anderen Worten erfolgt die Bewegung gleichmäßig und ohne sprunghafte Sprünge in Druckrichtung und Geschwindigkeit.
laminare Strömung gebildet wird, beispielsweise in den engen Blutgefäße von Lebewesen und Pflanzen Kapillaren unter vergleichbaren Bedingungen bei einem Strom von sehr viskosen Flüssigkeiten (Öl-Pipelines).Um den Jet-Stream zu visualisieren, um ein ganzes Stück den Wasserhahn zu offenbaren - Wasser ruhig fließt gleichmäßig, ohne sich zu vermischen.Wenn Sie den Wasserhahn bis zum Ende herausdrehen, wird der Systemdruck steigt und die Strömung wird chaotisch.
Turbulente Strömung
Anders als laminar in dem die Teilchen bewegen sich entlang der nahe gelegenen nahezu parallele Pfade, ist turbulenten Fluidstrom zufälliger Natur.Wenn wir die Lagrange-Ansatz können die Flugbahnen der Teilchen willkürlich stören werden und verhalten sich recht unvorhersehbar.Bewegung von Flüssigkeiten und Gasen unter diesen Bedingungen stets vorübergehend, und die Parameter dieser nicht-stationären so einen sehr weiten Bereich aufweisen.
Wie laminare Gasströmung turbulent wird, kann am Beispiel der Rauchschwaden aus einer brennenden Zigarette in der stillen Luft zurückgeführt werden.Zunächst bewegen sich die Teilchen fast parallele Pfade unverändert in der Zeit.Smoke scheint fixiert.Dann irgendwann tauchen plötzlich große Wirbel, die völlig willkürlich zu bewegen.Diese Wirbel zerfallen in kleinere - für noch kleinere und so weiter.Schließlich ist der Rauch fast gemischt mit Umgebungsluft.
Cycles Turbulenzen
Das obige Beispiel ist ein Lehrbuch, und aus seinen Beobachtungen haben Wissenschaftler die folgenden Schlussfolgerungen gezogen:
- laminarer und turbulenter Strömung sind probabilistische in der Natur: der Übergang von einer Regelung zur anderen ist nicht genau an der richtigen Stelle und in einem eher willkürlich, zufälligLage.
- ersten großen Wirbel auftreten, die größer als die Größe der Rauchschwaden sind.Bewegung wird unsicher und stark anisotropen.Große Ströme instabil und zerfallen in immer kleiner.Somit gibt es eine Hierarchie von Wirbeln.Die Bewegungsenergie von groß zu klein übertragen, und am Ende dieses Prozesses verschwindet - es Energiedissipation im kleinen Maßstab.
- turbulente Strömung ist unberechenbar: ein bestimmter Wirbel kann in einer völlig zufälligen, unvorhersehbaren Ort sein.
- Misch Rauch mit der Umgebungsluft nicht in laminar zu nehmen und in turbulenten - ist sehr intensiv.
- Trotz der Tatsache, dass die Randbedingungen feststehend sind, die Turbulenz selbst hat eine ausgeprägte vorübergehender Natur - alle gasdynamischen Parameter mit der Zeit ändern.
Es ist eine weitere wichtige Eigenschaft der Turbulenz: es ist immer dreidimensional.Selbst wenn wir die eindimensionale Strömung in einem Rohr oder zweidimensionale Grenzschicht betrachten, ist es immer noch die Bewegung der turbulenten Wirbel treten in den Richtungen der drei Achsen.
Reynoldszahl: der Formel
Übergang von laminarer zu gekennzeichnet Turbulenz, die durch die sogenannte kritische Reynolds-Zahl:
Recr = (ρuL / μ) Cr,
wo ρ - Dichte der Strömung, u - die charakteristische Geschwindigkeit der Strömung;L - Kenngröße des Strömungs, & mgr; - dynamische Viskositätskoeffizient, cr - mehr als an einem Rohr mit einem kreisförmigen Querschnitt.
Beispiel, um mit der Geschwindigkeit u in der Rohrleitung fließen, wie der Rohrdurchmesser L verwendet wird.Osborne Reynolds gezeigt, dass in diesem Fall 2300 & lt; Recr & lt;20000. Der Spread ist sehr groß, fast eine Größenordnung.
ähnliches Ergebnis wird in der Grenzschicht auf einer Platte erhalten.Die charakteristische Dimension von der Frontkante der Platte herausgenommen und dann die 3 x 105 & lt; Recr & lt;4 × 104.Wenn L als die Dicke der Grenzschicht 2700 & lt definiert; Recr & lt;9000. Es gibt experimentelle Studien, die gezeigt haben, daß der Wert Recr kann sogar grösser sein.
Begriff Geschwindigkeitsstörung
laminarer und turbulenter Strömung, und dementsprechend der Wert der kritischen Reynolds-Zahl (Re) ist abhängig von vielen Faktoren. Druckgradienten, die Höhe der Hügelchen Rauhigkeit Turbulenzintensität in der Außenströmung, Temperatur usw. Zur VereinfachungDiese Faktoren werden als Gesamt Zorn Rate, da sie einen gewissen Einfluss auf die Durchflussrate zu haben.Wenn diese Störung klein ist, kann es viskosen Kräfte versuchen, das Geschwindigkeitsfeld auszurichten zurückgezahlt werden.Bei großen Störungen innerhalb instabil werden, und es gibt Turbulenzen.
Da die physikalische Bedeutung der Reynolds-Zahl - das Verhältnis von Trägheitskräften und Reibungskräfte, Strömungsstörungen durch die Formel behandelt:
Re = ρuL / μ = ρu2 / (μ × (U / l)).
Der Zähler ist die doppelte Geschwindigkeitshöhe und der Nenner - der Wert der mit dem Verfahren Reibungsbeanspruchung, wenn L als die Dicke der Grenzschicht gemacht.Staudruck neigt dazu, zu zerstören die Balance und Reibungskräfte entgegenstehen.Es ist jedoch unklar, warum die Trägheitskraft (oder Staudruck) ändert sich nur, wenn sie 1.000 Mal viskoser Kräfte.
Berechnungen und Fakten
wahrscheinlich bequemer, als charakteristische Geschwindigkeit Recr nicht absolute Strömungsgeschwindigkeit u und der Geschwindigkeitsstörung verwendet werden.In diesem Fall wird die kritische Reynolds-Zahl über 10, also in Überschuß der dynamischen Druckstörung in den Reibungsspannungen 5mal die laminare Strömung in eine turbulente Fluid strömt.Diese Definition nach Meinung einiger Wissenschaftler Re ist gut durch die folgenden experimentell bewiesene Tatsachen erklärt.
perfekt gleichmäßiges Geschwindigkeitsprofil auf eine perfekt glatte Oberfläche wird traditionell durch die Anzahl Recr gegen unendlich, dh der Übergang zur Turbulenz bestimmt ist eigentlich nicht gibt.Aber Reynoldszahl bestimmt aus der Geschwindigkeit Störung kleiner als der kritische Wert, der gleich 10
das Vorhandensein von künstlichen Turbulenzen ist, was zu einem Anstieg der Geschwindigkeit, vergleichbar mit der Prime Rate ist, wird die Strömung turbulent bei viel niedrigeren Reynolds-Zahl als Recr, bestimmte absoluteDrehzahlwert.Dies ermöglicht es, den Wert des Koeffizienten Recr = 10, wobei die charakteristische Geschwindigkeit ist der Absolutwert der Geschwindigkeitsstörung durch die oben genannten Gründe verursacht verwenden.
Stabilität der laminaren Strömungsregime in der Pipeline
Laminare und turbulente Strömungscharakteristik von allen Arten von Flüssigkeiten und Gasen in verschiedenen Umgebungen.In der Natur sind laminare Strömungen selten und gekennzeichnet, um beispielsweise unterirdische Ströme in den Ebenen einzugrenzen.Viel mehr Sorgen über dieses Thema im Rahmen der wissenschaftlichen Anwendungen für den Pipeline-Transport von Wasser, Öl, Gas und anderen Flüssigkeiten.
Frage die Stabilität der laminaren Strömung ist eng mit der Untersuchung der gestörten Bewegung des Hauptstroms bezogen.Es wird festgestellt, dass durch sogenannte kleine Störungen betroffen sein.Je nachdem, ob sie wachsen oder auf Dauer unverändert und wird die Grundströmung als stabil oder instabil ist.
komprimierbar und kompressiblen Fluiden
Einer der Faktoren, die die laminare und turbulente Strömung des Fluids ist die Kompressibilität.Diese Eigenschaft des Fluids in der Untersuchung der Stabilität des nicht-stationäre Prozesse in einer schnellen Änderung der Hauptströmung von besonderer Bedeutung.
Studien zeigen, dass die laminare Strömung einer inkompressiblen Flüssigkeit in einem zylindrischen Rohrabschnitt beständig gegen relativ kleine axialsymmetrischen und nicht achsensymmetrisch Störungen in Raum und Zeit.
Zuletzt werden die Berechnungen auf den Einfluß von Störungen auf der axialsymmetrischen Strömungswiderstand in dem Einlaßteil des zylindrischen Röhre durchgeführt, wobei der Hauptstrom ist abhängig von den zwei Koordinaten.Die Koordinatenachse des Rohres wird als ein Parameter, der auf das Geschwindigkeitsprofil des Hauptströmungsrohrradius abhängig betrachtet.
Fazit Trotz Jahrhunderte der Studie, kann man nicht sagen, dass laminare und turbulente Strömung gründlich untersucht.Experimentelle Untersuchungen auf der Mikroebene stellen neue Fragen eine mit Gründen versehene Berechnung Rechtfertigung bedarf.Die Art der Forschung angewendet wird, und der Nutzen: die Welt gelegt Tausende von Kilometern von Wasser, Öl, Gas und Produkt.Je mehr technische Lösungen implementiert, um Turbulenzen während des Transports zu reduzieren, desto effektiver wird es sein.
