studie av egenskapene til væske og gass strømmer er svært viktig for næringen og offentlige tjenester.Den laminære og turbulente strømmer påvirker hastigheten for transport av vann, olje, gass rørledninger for forskjellige anvendelser, påvirker andre parametre.Disse problemene gjør vitenskap hydrodynamikk.
Klassifisering
Det vitenskapelige miljøet strømningsregimer av væsker og gasser er delt inn i to helt forskjellige klasser:
- LAF (jet);
- turbulent.
også skille overgang.Forresten, har begrepet "flytende" en bred betydning: det kan være inkompressibel (det er faktisk en væske), komprimerbar (gass), gjennomfører, og så videre D.
Bakgrunn
annen Mendelejev i 1880, ble det foreslått.eksistensen av to motsatte modi trender.Flere detaljer om denne saken undersøkt den britiske fysikeren og ingeniøren Osborne Reynolds, gjennomført en studie i 1883.Først nesten, og deretter bruke formelen, fant han at ved lav hastighet flyten blir laminærstrømning av væsker form: lag (strømmer av partikler) er nesten blandet og flytte sammen parallelle baner.Imidlertid, etter å overvinne en viss kritisk verdi (for forskjellige forhold det er forskjellig), kalt Reynolds antall fluidstrømningsregimer endrer jet-strømmen blir kaotisk vortex - det er turbulent.Det ble funnet at disse parameterne er særegne for en viss grad og gasser.
praktiske beregninger Britiske forskere har vist at virkemåten, for eksempel vann, er svært avhengig av formen og størrelsen på tanken (rør, kanaler, kapillærer, etc.), i hvilken den flyter.Rørene som har et sirkulært tverrsnitt (disse benyttes for montering av trykk rørledninger), dens Reynolds tall - er formelen for den kritiske tilstand bli beskrevet som: Re = 2300. For strømmen av åpne kanaler Reynoldstall mer: Re = 900. Ved lavere verdier av Re for er bestilt,på frifot - kaotisk.
Laminar flyt
forskjellen mellom laminær turbulens er i naturen og retning av vannet (gass) strømmer.De beveger lag, uten å blande og uten pulseringer.Med andre ord tar bevegelsen sted jevnt uten uberegnelige hopp i trykkretning og hastighet.
laminær strømning er dannet, for eksempel, i de trange blodkar i levende vesener og planter kapillarene under sammenlignbare forhold, ved en strøm av meget viskøse væsker (olje rørledninger).For å visualisere jet stream, til ganske mye avsløre springen - vannet vil strømme rolig, jevnt, uten å blande.Hvis du skru kranen helt til slutten, vil systemtrykket stiger og flyten blir kaotisk.
Turbulent strømning
motsetning til laminær i hvilken partiklene beveger seg langs de nærliggende tilnærmet parallelle baner, i turbulent fluidstrøm tilfeldig i naturen.Hvis vi bruker Lagrangesk tilnærming, kan de baner av partiklene bli vilkårlig forstyrre og oppfører seg helt uforutsigbart.Bevegelse av væsker og gasser i disse forholdene er alltid er forbigående, og parametrene for disse ikke-stasjonære kan ha et meget bredt område.
Hvordan Laminar gasstrømmen blir turbulent, kan spores på eksempel på dotter av røyk fra en brennende sigarett i stille luft.Til å begynne med, partiklene beveger seg nesten parallelle baner uforandret i tid.Røyk synes løst.Så på et tidspunkt plutselig dukke opp store virvler som beveger seg helt tilfeldig.Disse virvlene desintegrerer i små - i enda mindre, og så videre.Endelig er røyk nesten blandet med omgivelsesluft.
Cycles turbulens
Eksempelet over er en lærebok, og fra hans observasjoner forskere har gjort følgende konklusjoner:
- Laminar og turbulent strømning er sannsynlighets i naturen: overgangen fra ett regime til et annet er ikke i nøyaktig riktig sted, og i en ganske vilkårlig, tilfeldigplassering.
- første store virvler forekomme som er større enn størrelsen på tuster røyk.Bevegelse blir ustø og sterkt anisotropisk.Store strømmer blir ustabile og brytes opp i mindre og mindre.Det er således et hierarki av virvelstrømmer.Energien av bevegelse overføres fra store til små, og ved slutten av denne prosessen forsvinner - det er energiavgivelse ved små skalaer.
- turbulent strømning er uberegnelig: en bestemt vortex kan være i en helt tilfeldig, uforutsigbart sted.
- Blanding røyk med luft fra omgivelsene finner ikke sted i laminær og turbulent - er veldig intens.
- tross for at grensebetingelsene er stasjonære, har uroen i seg selv en uttalt forbigående - alle gassdynamiske parametere endres over tid.
Det er en annen viktig egenskap ved turbulens: det er alltid tredimensjonalt.Selv om vi betrakter en-dimensjonal strømning i et rør eller en todimensjonal grensesjikt, er det fortsatt bevegelse av turbulente virvler oppstår i retning av de tre aksene.
Reynolds tall: formelen
overgangen fra laminær til turbulens preget av den såkalte kritiske Reynolds tall:
Recr = (ρuL / μ) cr,
der ρ - tetthet av strømmen, u - den karakteristiske hastigheten av flyten;L - karakteristiske størrelsen på strømmen, u - dynamisk viskositet koeffisient, cr - over på et rør med et sirkulært tverrsnitt.
eksempel, for å flyte med hastighet u i røret når røret diameter L er brukt.Osborne Reynolds viste at i dette tilfellet 2 300 & lt; Recr & lt;20000. Spredningen er veldig stor, nesten en størrelsesorden.
tilsvarende resultat oppnås i grenselaget på en plate.Den karakteristiske dimensjon er tatt bort fra forkanten av platen, og deretter 3 × 105 & lt; Recr & lt;4 × 104.Hvis L er definert som tykkelsen av grensesjiktet, 2700 & lt; beg & lt;9000. Det er eksperimentelle studier som har vist at verdien av beg kan være enda større.
begrepet hastighet forstyrrelse
laminær og turbulent strømning, og følgelig den kritiske verdi av Reynolds tall (Re) avhenger av mange faktorer. Trykkgradienten, høyden av haugene ruhet, turbulensintensitet i den ytre gjennomstrømning, temperatur og så videre Av bekvemmelighetsDisse faktorene er kalt totale indignasjon rente, som de har en viss innflytelse på strømningshastigheten.Hvis dette forstyrrelse er liten, kan det være smelt viskøse krefter som søker å justere hastighetsfeltet.For store forstyrrelser innen kan bli ustabil, og det er turbulens.
Gitt at den fysiske betydningen av Reynolds-tallet - forholdet mellom treghetskrefter og viskøse krefter, strømningsforstyrrelser som omfattes av formelen:
Re = ρuL / μ = ρu2 / (μ x (U / L)).
Telleren er det dobbelte av hastigheten hode, og nevneren - verdien av at prosedyren friksjon stress, hvis L er tatt som tykkelsen av grensesjiktet.Dynamisk press har en tendens til å ødelegge balansen og friksjonskrefter motsette seg dette.Det er imidlertid uklart hvorfor treghetskraften (eller dynamisk trykk) endrer seg når de er 1000 ganger mer viskøse krefter.
beregninger og fakta
sannsynligvis mer praktisk å bli brukt som en karakteristisk hastighet beg ikke absolutte strømningshastighet u, og hastigheten forstyrrelse.I dette tilfellet vil det kritiske Reynolds tall være omtrent 10, det vil si i overkant av dynamisk trykk forstyrrelse i de viskøse påkjenninger 5 ganger laminær til turbulent fluid strømmer.Denne definisjonen Re ifølge enkelte forskere er godt forklart av følgende eksperimentelt bevist fakta.
til perfekt uniform hastighetsprofil på en helt glatt overflate er tradisjonelt bestemmes av antall Recr tendens til uendelig, dvs. overgang til turbulens er faktisk ikke det.Men Reynolds tall er bestemt fra hastighets forstyrrelse er mindre enn den kritiske verdi, som er lik 10.
nærvær av kunstige turbulens, førte til en økning av hastigheten, kan sammenlignes for å prime rate, blir strømningen turbulent på mye lavere Reynolds tall enn beg, visse absoluttehastighetsverdi.Dette gjør det mulig å bruke verdien av koeffisienten beg = 10, hvor den karakteristiske hastighet er den absolutte verdien for hastighets forstyrrelse forårsaket av de ovennevnte grunner.
stabiliteten laminær regimet i rørledningen
Laminar og turbulent strømning karakteristisk for alle typer væsker og gasser i ulike miljøer.I naturen, laminære strømmer er sjeldne og kjennetegnes for eksempel å begrense jordiske bekker på slettene.Mye mer opptatt av dette spørsmålet i sammenheng med vitenskapelige applikasjoner for rørtransport av vann, olje, gass og andre væsker.
spørsmålet stabiliteten av laminær strømning er nært knyttet til studiet av den forstyrrede bevegelse av hovedstrømmen.Det er funnet å være påvirket av såkalte små forstyrrelser.Avhengig av om de vokser eller falming over tid, er den grunnleggende strømnings anses å være stabilt eller ustabilt.
kompressible og kompressible fluider
En av de faktorer som påvirker laminær og turbulent strømning av fluidet er dens kompressibilitet.Denne egenskapen av fluidet er særlig viktig i studiet av stabiliteten til ikke-stasjonære prosesser i en hurtig endring av hovedstrømmen.
Studier viser at den laminære strømningen av en inkompressibel væske i en sylindrisk rørseksjon motstandsdyktig mot aksesymmetrisk relativt små og ikke-aksesymmetriske forstyrrelser i rom og tid.
Nylig er beregninger utført på påvirkning av forstyrrelser på aksesymmetrisk strømningsmotstanden i innløpsdelen av det sylindriske rør, hvor hovedstrømmen er avhengig av de to koordinater.Koordinatsystemet aksen av røret er betraktet som en parameter som avhenger av hastighetsprofilen til hovedstrømningsrøret radius.
Konklusjon Til tross for århundrer med studien, kan man ikke si at laminær og turbulent strømning grundig undersøkt.Eksperimentelle studier på mikronivå stille nye spørsmål som krever en begrunnet beregning begrunnelse.Arten av forskning er brukt og fordelen: verdens lagt tusenvis av kilometer med vann, olje, gass og produkt.De mer tekniske løsninger iverksettes for å redusere turbulens under transport, jo mer effektivt det vil være.
