Laminar dan aliran turbulen.

dari sifat arus cair dan gas sangat penting bagi industri dan utilitas publik.The laminar dan aliran turbulen mempengaruhi kecepatan transportasi air, minyak, pipa gas alam untuk berbagai aplikasi, mempengaruhi parameter lainnya.Masalah-masalah ini lakukan hidrodinamika ilmu.

Klasifikasi

Lingkungan ilmiah rezim aliran cairan dan gas yang dibagi menjadi dua kelas yang sama sekali berbeda: aliran laminar

• (jet);
• bergolak.

juga membedakan tahap transisi.Kebetulan, istilah "cair" memiliki arti yang luas: dapat mampat (sebenarnya merupakan cairan), kompresibel (gas), melakukan, dan sebagainya D.

Latar Belakang

lain Mendeleev pada tahun 1880, ia menyarankan.adanya dua mode tren yang berlawanan.Rincian lebih lanjut tentang masalah ini diperiksa fisikawan Inggris dan insinyur Osborne Reynolds, menyelesaikan studi pada tahun 1883.Pertama, hampir, dan kemudian menggunakan rumus, ia menemukan bahwa pada kecepatan rendah aliran menjadi aliran laminar bentuk cairan: lapisan (aliran partikel) hampir campuran dan bergerak sepanjang jalur paralel.Namun, setelah mengatasi nilai kritis tertentu (untuk kondisi yang berbeda itu berbeda), disebut nomor Reynolds rezim aliran fluida yang mengubah aliran jet menjadi pusaran kacau - yang bergolak.Ditemukan bahwa parameter ini aneh sampai batas dan gas-gas tertentu.Perhitungan praktis

ilmuwan Inggris telah menunjukkan bahwa perilaku, misalnya, air, sangat tergantung pada bentuk dan ukuran tangki (pipa, saluran, kapiler, dll), di mana ia mengalir.Tabung memiliki lingkaran penampang (ini digunakan untuk pemasangan pipa tekanan), bilangan Reynolds yang - rumus dari negara kritis digambarkan sebagai: Re = 2300. Untuk aliran saluran terbuka bilangan Reynolds lebih: Re = 900. Pada nilai-nilai yang lebih rendah dari Re untuk memerintahkan,pada umumnya - kacau.

Laminar aliran

perbedaan antara aliran laminar turbulensi adalah sifat dan arah air (gas) mengalir.Mereka bergerak lapisan, tanpa pencampuran dan tanpa denyutan.Dengan kata lain, gerakan berlangsung seragam tanpa melompat menentu arah tekanan dan kecepatan.Aliran laminar

terbentuk, misalnya, dalam pembuluh darah yang sempit makhluk dan tanaman kapiler hidup dalam kondisi yang sebanding, pada saat cairan yang sangat kental (pipa minyak).Untuk memvisualisasikan aliran jet, cukup sedikit untuk mengungkapkan keran - air akan mengalir dengan tenang, secara merata, tanpa pencampuran.Jika Anda membuka tutup keran sampai akhir, tekanan sistem akan naik dan arus akan menjadi kacau.

bergejolak aliran

Tidak seperti laminar di mana partikel bergerak sepanjang jalur terdekat hampir paralel, aliran fluida turbulen adalah acak di alam.Jika kita menggunakan pendekatan Lagrangian, lintasan partikel dapat sewenang-wenang mengganggu dan berperilaku cukup tak terduga.Gerakan cairan dan gas dalam kondisi ini selalu sementara, dan parameter ini non-stasioner dapat memiliki jangkauan yang sangat luas.

Bagaimana aliran gas laminar menjadi turbulen, dapat ditelusuri pada contoh kepulan asap dari rokok yang terbakar di udara masih.Awalnya, partikel bergerak jalur hampir sejajar berubah dalam waktu.Asap tampaknya tetap.Kemudian di beberapa titik tiba-tiba muncul pusaran besar yang bergerak benar-benar acak.Vortisitas ini hancur menjadi lebih kecil - bahkan lebih kecil dan sebagainya.Akhirnya, asap hampir dicampur dengan udara ambien.

Siklus turbulensi

Contoh di atas adalah buku teks, dan dari pengamatannya ilmuwan telah membuat kesimpulan sebagai berikut:

1. Laminar dan aliran turbulen yang probabilistik di alam: transisi dari satu rezim yang lain tidak di tempat yang tepat, dan dalam agak sewenang-wenang, randomlokasi.
2. vortisitas besar pertama terjadi yang lebih besar dari ukuran kepulan asap.Gerakan menjadi goyah dan sangat anisotropik.Arus besar menjadi tidak stabil dan memecah menjadi lebih kecil dan lebih kecil.Dengan demikian, ada hirarki pusaran.Energi gerak ditransfer dari besar ke kecil, dan pada akhir proses ini menghilang - ada disipasi energi pada skala kecil.
3. aliran turbulen yang tidak menentu: pusaran tertentu dapat berada dalam benar-benar acak, tempat tak terduga.
4. Mencampur asap dengan udara ambien tidak terjadi di laminar dan turbulen di - sangat intens.
5. Terlepas dari kenyataan bahwa kondisi batas yang stasioner, gejolak itu sendiri memiliki sementara diucapkan di alam - semua parameter gas-dinamis berubah dari waktu ke waktu.

Ada properti penting dari turbulensi: itu selalu tiga dimensi.Bahkan jika kita menganggap aliran satu dimensi dalam pipa atau lapisan batas dua dimensi, masih pergerakan vortisitas bergolak terjadi di arah dari tiga sumbu.Jumlah

Reynolds: rumus

transisi dari laminar ke turbulensi ditandai dengan apa yang disebut bilangan Reynolds kritis:

Recr = (ρuL / μ) cr,

mana ρ - kepadatan arus, u - kecepatan karakteristik aliran;L - ukuran karakteristik aliran, μ - koefisien viskositas dinamis, cr - lebih pada pipa dengan penampang melingkar.

contoh, mengalir dengan kecepatan u dalam pipa dengan diameter pipa L digunakan.Osborne Reynolds menunjukkan bahwa dalam kasus ini 2300 & lt; Recr & lt;20000. penyebaran ini sangat besar, hampir urutan besarnya.Hasil serupa

diperoleh di lapisan batas atas piring.Dimensi karakteristik diambil dari tepi depan piring, dan kemudian 3 × 105 & lt; Recr & lt;4 × 104.Jika L didefinisikan sebagai ketebalan lapisan batas, 2700 & lt; Recr & lt;9000. Ada studi eksperimental yang menunjukkan bahwa nilai Recr mungkin lebih besar.Konsep

kecepatan gangguan

laminar dan aliran fluida bergolak, dan sesuai, nilai penting dari bilangan Reynolds (Re) tergantung pada banyak faktor. Gradien tekanan, ketinggian bukit kecil kekasaran, intensitas turbulensi aliran eksternal, suhu dan sebagainya Untuk kenyamanan,Faktor-faktor ini disebut tingkat total marah, karena mereka memiliki pengaruh tertentu pada laju aliran.Jika gangguan ini kecil, dapat dilunasi pasukan kental berusaha untuk menyelaraskan medan kecepatan.Untuk gangguan besar dalam mungkin menjadi tidak stabil, dan ada turbulensi.

Mengingat bahwa arti fisik bilangan Reynolds - rasio gaya inersia dan pasukan kental, gangguan aliran tertutup dengan rumus:

Re = ρuL / μ = ρu2 / (μ × (u / L)).

pembilang adalah dua kali kepala kecepatan, dan penyebut - nilai memiliki stres gesekan prosedur, jika L diambil sebagai ketebalan lapisan batas.Tekanan dinamis cenderung untuk menghancurkan kekuatan keseimbangan dan gesekan menentang ini.Namun, tidak jelas mengapa gaya inersia (atau tekanan dinamis) berubah hanya ketika mereka 1.000 kali kekuatan lebih kental.Perhitungan

dan fakta

mungkin lebih nyaman untuk digunakan sebagai kecepatan karakteristik Recr tidak kecepatan aliran mutlak u, dan gangguan kecepatan.Dalam hal ini, jumlah Reynolds kritis akan menjadi sekitar 10, yang adalah lebih dari gangguan tekanan dinamis selama tekanan kental 5 kali aliran laminar ke aliran fluida bergolak.Definisi ini Re menurut beberapa ilmuwan juga dijelaskan oleh fakta-fakta eksperimental terbukti berikut.

ke profil kecepatan sempurna seragam pada permukaan halus sempurna secara tradisional ditentukan oleh jumlah Recr cenderung tak terbatas, yaitu transisi ke turbulensi sebenarnya tidak ada.Tapi jumlah Reynolds ditentukan dari gangguan kecepatan kurang dari nilai kritis, yang sama dengan 10.

kehadiran turbulensi buatan, menyebabkan lonjakan kecepatan, sebanding dengan tingkat prima, aliran menjadi turbulen yang jauh lebih rendah bilangan Reynolds dari Recr, tertentu mutlaknilai kecepatan.Hal ini memungkinkan untuk menggunakan nilai koefisien Recr = 10, di mana kecepatan karakteristik adalah nilai absolut dari gangguan kecepatan disebabkan oleh alasan di atas.

stabilitas rezim aliran laminar dalam pipa

Laminar dan karakteristik aliran turbulen dari semua jenis cairan dan gas di lingkungan yang berbeda.Di alam, arus laminar yang langka dan ditandai, misalnya, untuk mempersempit sungai bawah tanah di dataran.Jauh lebih peduli tentang masalah ini dalam konteks aplikasi ilmiah untuk transportasi pipa air, minyak, gas dan cairan lainnya.

mempertanyakan stabilitas aliran laminar berkaitan erat dengan studi tentang gerak terganggu aliran utama.Hal ini ditemukan akan terpengaruh oleh apa yang disebut gangguan kecil.Tergantung pada apakah mereka tumbuh atau memudar dari waktu ke waktu, aliran dasar dianggap stabil atau tidak stabil.

cairan kompresibel dan mampat

Salah satu faktor yang mempengaruhi laminar dan aliran turbulen cairan adalah kompresibilitas nya.Ini milik cairan sangat penting dalam studi stabilitas proses non-stasioner dalam perubahan yang cepat dari aliran utama.

menunjukkan bahwa aliran laminar dari cairan mampat di bagian pipa silinder tahan terhadap axisymmetric relatif kecil dan gangguan non-axisymmetric dalam ruang dan waktu.

Baru-baru ini, perhitungan dilakukan pada pengaruh gangguan pada hambatan aliran axisymmetric di inlet bagian dari tabung silinder di mana arus utama adalah tergantung pada dua koordinat.Koordinat sumbu pipa dianggap sebagai parameter, yang tergantung pada profil kecepatan jari-jari pipa aliran utama.

Kesimpulan Meskipun berabad-abad penelitian, salah satu tidak bisa mengatakan bahwa laminar dan turbulen diteliti secara mendalam.Studi eksperimental pada tingkat mikro menimbulkan masalah baru yang memerlukan perhitungan pembenaran beralasan.Sifat penelitian diterapkan dan manfaat: dunia meletakkan ribuan kilometer dari air, minyak, gas dan produk.Solusi yang lebih teknis dilaksanakan untuk mengurangi turbulensi selama transportasi, yang lebih efektif akan.