של המאפיינים של תזרים נוזל וגז הוא חשוב מאוד לתעשייה ושירותים ציבוריים.מינרית ותזרימי סוערים משפיעים על המהירות של התחבורה של מים,null, צינורות גז טבעיים נפט ליישומים שונים, משפיעה על הפרמטרים האחרים.בעיות אלה לעשות hydrodynamics המדע.
סיווג
הסביבה המדעית זרימת משטרים של נוזלים וגזים מתחלקים לשני סוגים שונים לחלוטין: זרימה למינרית
- (סילון);
- סוער.
גם להבחין שלב מעבר.אגב, יש לו את "הנוזלי" טווח משמעות רחבה: זה יכול להיות בלתי דחיס (זה בעצם נוזל), דחיסה (גז), ניהול, וכן הלאה רקע ד
מנדלייב נוסף בשנת 1880, הוצע.קיומן של שתי מגמות מנוגדות מצבים.פרטים נוספים בעניין זה בחן את הפיזיקאי הבריטי ומהנדס אוסבורן ריינולדס, הושלמו מחקר בשנת 1883.ראשית, כמעט, ולאחר מכן השתמשתי בנוסחא, הוא מצא כי במהירות נמוכה את הזרימה הופכת זרימה למינרית של טופס נוזלים: שכבות (זרמים של חלקיקים) הוא כמעט מעורבים ולנוע לאורך נתיבים מקבילים.עם זאת, לאחר התגברות על ערך מסוים קריטי (לתנאים שונים זה שונה), התקשר למספר ריינולדס של זרימת נוזל משטרים משתנים זרם הסילון הופך מערבולת של תוהו ובוהו - כלומר סוער.נמצא כי פרמטרים אלה הם ייחודיים לגזים במידה ומסוימת.מדענים בריטיים חישובים מעשיים
הראו כי ההתנהגות של, למשל, מים, תלויים מאוד בצורה ובגודל של הטנק (צינורות, תעלות, נימים, וכו '), שבו הוא זורם.הצינורות שיש חתך עגול (אלה משמשים להרכבת צינורות לחץ), מספר ריינולדס שלה - הנוסחה של המדינה הקריטית מתוארים כ: Re = 2300. לזרימה של ערוצים פתוחים מספר ריינולדס יותר: Re = 900. בערכים נמוכים יותר של הנדון להוא הורה,בגדול - תוהו ובוהו.הבדל
זרימת
מינרית בין הזרימה למינרית מערבולת הוא בטבע והכיוון של המים (גז) זורם.הם להזיז שכבות, ללא ערבוב וללא פעימות.במילים אחרות, התנועה מתרחשת באופן אחיד ללא קפיצות בלתי יציבות בכיוון הלחץ והמהירות.הזרימה למינרית
נוצר, למשל, בכלי הדם הצרים של יצורים חיים וצמחי נימים בתנאים דומים, בזרם של נוזלים צמיגים מאוד (צינורות נפט).כדי להמחיש את זרם הסילון, לא מעט כדי לחשוף את הברז - מים יזרמו בשקט, באופן שווה, ללא ערבוב.אם להתיר את הברז עד הסוף, הלחץ במערכת תעלה והזרימה תהפוך כאוטי.
סוער זרימת
בניגוד למינרית שבו החלקיקים לנוע לאורך הנתיבים סמוכים כמעט מקבילים, זרימת נוזל סוערת היא אקראית בטבע.אם אנו משתמשים בגישה לגרנג, המסלולים של החלקיקים יכולים להיות באופן שרירותי להפריע ולהתנהג באופן בלתי צפוי למדי.התנועה של נוזלים וגזים בתנאים אלה היא תמיד חולפת, והפרמטרים של אי-נייח אלה יכולים להיות מגוון רחב מאוד.
איך זרימת גז למינרית הופכת סוערת, ניתן לייחס בדוגמא של אניצי העשן של סיגריה בוערת באוויר עדיין.בתחילה, החלקיקים לעבור נתיבים כמעט ללא שינוי מקבילים בזמן.עשן נראה קבוע.אז בשלב מסוים לצאת פתאום מערבולות גדולות הנעות באופן אקראי לחלוטין.מערבולות אלה להתפורר לתוך קטנים - אפילו קטנים יותר וכן הלאה.לבסוף, העשן הוא כמעט מעורב עם אוויר הסביבה.מערבולת מחזורי
מעל דוגמה לכך היא ספר לימוד, ומתצפיותיו מדענים עשו את המסקנות הבאות:
- מינרית וזרימה טורבולנטית הן הסתברותי בטבע: המעבר ממשטר אחד למשנהו הוא לא בדיוק במקום הנכון, ובשרירותי למדי, אקראימיקום.מערבולות גדולות הראשון
- להתרחש, כי הם גדולים יותר מהגודל של אניצי העשן.תנועה הופכת לא יציבה וחזק איזוטרופי.התזרים גדול להפוך לבלתי יציב ולהתפרק לקטנים יותר ויותר.לפיכך, יש היררכיה של מערבולות.האנרגיה של תנועה מועברת מגדולה לקטנה, ובסופו של תהליך זה נעלם - יש בזבוז אנרגיה בקנה מידה קטנה.הזרימה טורבולנטית
- היא יציבה: מערבולת מסוימת יכולה להיות במקום אקראי לחלוטין, בלתי צפוי.עשן ערבוב
- עם אוויר הסביבה אינו מתקיים בעלעלים ובסוער - הוא מאוד אינטנסיבי.
- למרות העובדה כי תנאי השפה הן נייחות, יש המערבולת עצמו חולף בולט בטבע - כל הפרמטרים הגז-דינמי להשתנות עם הזמן.
יש עוד מאפיין חשוב של מערבולת: זה תמיד תלת-ממדי.גם אם ניקח בחשבון את הזרימה חד-ממדית בצינור או שכבת גבול דו-ממדית, זה עדיין התנועה של מערבולות סוערות מתרחשת בכיוונים של שלושה הצירים.מספר
ריינולדס: נוסחת מעבר
מעלעלים למערבולת מתאפיין במספר ריינולדס הקריטי שנקרא:
Recr = (ρuL / μ) CR,
בי ρ - צפיפות של הזרימה, u - המהירות האופיינית של הזרימה;L - גודל אופייני של הזרימה, μ - מקדם צמיגות דינמית, CR - מעל בצינור עם חתך עגול.דוגמא
, לזרום עם מהירות u בצינור L קוטר הצינור משמש.אוסבורן ריינולדס הוכיח כי במקרה זה 2,300 & lt; Recr & lt;20000. ההתפשטות היא גדולה מאוד, כמעט בסדר גודל.תוצאה דומה
מתקבלת בשכבת הגבול על צלחת.הממד האופייני נלקח ממנו מהקצה הקדמי של הצלחת, ולאחר מכן 3 × 105 & lt; Recr & lt;4 × 104.אם L מוגדר כעובי של שכבת הגבול, 2,700 & lt; Recr & lt;9000. יש מחקרי ניסויים שהראו כי הערך של Recr עשוי להיות גדול אף יותר.מושג
של ההפרעות מהירות מינרית
וזרימת נוזל סוערת, ובהתאם לכך, הערך הקריטי של מספר ריינולדס (Re) תלוי בגורמים רבים:. שיפוע הלחץ, הגובה של חספוס תלוליות, עוצמת מערבולת בזרימה החיצונית, טמפרטורה וכן הלאה לנוחיותכם,גורמים אלה נקראים כולל שיעור זעם, כמו שיש להם השפעה מסוימת על קצב הזרימה.אם הפרעה זו היא קטנה, יכול להיות שזה נפרע כוחות צמיגים המבקשים ליישר את שדה המהירות.להפרעות גדולות בתוך עלולים להפוך לבלתי יציב, ויש תסיסה.
בהתחשב בכך שהמשמעות הפיסית של מספר ריינולדס - היחס של כוחות אינרציה וכוחות צמיגים, זרימת הפרעות מכוסים על ידי הנוסחה:
Re = ρuL / μ = ρu2 / (μ × (U / L)).
המונה הוא פעמיים ראש המהירות, והמכנה - הערך שיש לחץ חיכוך ההליך, אם L נלקח כעובי של שכבת הגבול.לחץ דינמי נוטה להרוס את כוחות האיזון והחיכוך מתנגדים לכך.עם זאת, לא ברור מדוע כוח האינרציה (או לחץ דינמי) משתנה רק כאשר הם כוחות צמיגים יותר 1,000 פעמים.חישובי
ועובדות
כנראה יותר נוחה לשימוש כמהירות אופיינית Recr אינו מוחלטת מהירות זרימת u, והפרעות מהירות.במקרה זה, מספר ריינולדס הקריטי יהיה כ -10, שנמצא בעודף של ההפרעות לחץ דינמיות על הלחצים צמיגים 5 פעמים הזרימה למינרית לזורמת נוזל סוער.הגדרה זו מחדש על פי כמה מדענים מוסברת היטב על ידי העובדות שהוכחו בניסוי הבא.
לפרופיל מהירות אחידה בצורה מושלמת על משטח חלק לחלוטין נקבע באופן מסורתי על ידי המספר Recr נוטה לאינסוף, כלומר את המעבר לזעזוע הוא לא ממש שם.אבל מספר ריינולדס נקבע מהפרעות המהירות היא פחות מהערך הקריטי, שהוא שווה ל10.
הנוכחות של מערבולת מלאכותית, גורם לגל של מהירות, דומה לריבית הפריים, הזרימה הופכת סוער בהרבה יותר נמוך מספר ריינולדס מ Recr, מסוים מוחלטערך מהירות.זה מאפשר להשתמש בערכו של המקדם Recr = 10, שבו המהירות האופיינית היא הערך המוחלט של ההפרעות מהירות נגרמות על ידי הסיבות לעיל.יציבות
של זרימה למינרית משטר בצנרת
מינרית וזרימה האופיינית סוערת של כל מיני נוזלים וגזים בסביבות שונות.בטבע, תזרים למינרית הם נדיר ומאופיין, למשל, כדי לצמצם זרמים תת קרקעיים במישורים.הרבה יותר מודאג לגבי סוגיה זו בהקשר של יישומים מדעיים להובלת הצינור של מים, נפט, גז ונוזלים אחרים.
השאלה היציבות של זרימה למינרית קשורה קשר הדוק לחקר התנועה המופרעת של הזרימה העיקרית.הוא נמצא להיות מושפע הפרעות קטנות שנקרא.תלוי אם הם גדלים או דהייה לאורך זמן, הזרימה הבסיסית נחשבת יציבה או לא יציבה.נוזלים לדחיסה ודחיסת
אחד הגורמים המשפיעים על מינרית והזרימה טורבולנטית של הנוזל הוא הדחיסה שלה.מאפיין זה של הנוזל חשוב במיוחד במחקר של היציבות של תהליכים שאינם נייחים בשינוי מהיר של הזרימה העיקרית.
מחקרים מראים כי הזרימה למינרית של נוזל בלתי דחיס בסעיף צינור גלילי עמיד לaxisymmetric הקטן יחסית והפרעות שאינם axisymmetric במרחב ובזמן.
לאחרונה, חישובים מתבצעים על ההשפעה של הפרעות בזרימת axisymmetric ההתנגדות בחלק הכניסה של הצינור הגלילי בי הנוכחי העיקרי תלוי בשתי קואורדינטות.הציר לתאם של הצינור נחשב כפרמטר, אשר תלוי בפרופיל המהירות של רדיוס זרימת הצינור הראשי.סיכום
למרות מאות שנים של מחקר, לא ניתן לומר כי למינרית וזרימה טורבולנטית למדו ביסודיות.מחקרי ניסויים ברמת המיקרו להוות בעיות חדשות הדורשות הצדקה חישוב מנומקת.טבעו של המחקר מוחל והתועלת: העולם הניח אלפי קילומטרים של מים, נפט, גז ומוצר.הפתרונות טכניים יותר מיושמים כדי להפחית מערבולת במהלך הובלה, יעילה יותר זה יהיה.
