studie av egenskaperna hos flytande och gasflöden är mycket viktigt för industrin och allmännyttiga företag.Den laminära och turbulenta flöden påverkar hastigheten för transport av vatten, olja, naturliga gasledningar för olika tillämpningar, påverkar de andra parametrarna.Dessa problem gör vetenskap hydrodynamik.
Klassificering
Den vetenskapliga miljön flödesregimer vätskor och gaser är indelade i två helt olika klasser:
- laminärt flöde (jet);
- turbulent.
också skilja övergångsfas.Förresten, har uttrycket "vätska" en bred mening: det kan vara inkompressibelt (det är faktiskt en vätska), komprimer (gas), ledning, och så vidare D.
Bakgrund
annan Mendeleev 1880, föreslogs.förekomsten av två motsatta lägen trender.Mer information om denna fråga undersökte brittiske fysikern och ingenjören Osborne Reynolds, avslutade en studie 1883.Först, nästan, och sedan använda formeln, fann han att vid låg hastighet flödet blir laminärt flöde av vätskor formen: skikt (strömmar av partiklar) är nästan blandas och röra sig längs parallella banor.Men efter att övervinna ett visst kritiskt värde (för olika förhållanden är det annorlunda) uppmanade Reynolds antalet vätskeflödesregimer förändras jetströmmen blir kaotisk virvel - det är turbulent.Man fann att dessa parametrar är specifika för en viss grad och gaser.
praktiska beräkningar Brittiska forskare har visat att beteendet hos, exempelvis vatten, är starkt beroende på formen och storleken på tanken (rör, kanaler, kapillärer, etc.), i vilket den strömmar.Rören har en cirkulär tvärsektion (dessa används för montering av tryckledningar), dess Reynolds tal - är formeln för det kritiska läget beskrivs som: Re = 2300. För flödet av öppna kanaler Reynolds tal mer: Re = 900. Vid lägre värden på Re för beställs,i stort - kaotisk.
Laminärt flöde
skillnad mellan laminärt flöde turbulens är i naturen och riktningen för vatten (gas) strömmar.De flyttar lager, utan att blanda och utan pulsationer.Med andra ord, sker rörelsen rum likformigt utan oregelbundna hopp i tryckriktningen och hastigheten.
laminärt flöde bildas, till exempel i de trånga blodkärlen i levande varelser och växter kapillärer under jämförbara förhållanden, vid en ström av mycket viskösa vätskor (oljeledningar).För att visualisera jetströmmen, att ganska lite avslöja kranen - vatten rinner tyst, jämnt, utan att blanda.Om du skruvar kranen fram till slutet, kommer systemtrycket stiger och flödet kommer att bli kaotisk.
Turbulent strömning
skillnad laminärt i vilken partiklarna rör sig längs de närliggande nästan parallella banorna, är turbulent fluidflöde slumpmässig i naturen.Om vi använder den Lagrangian tillvägagångssätt kan banorna hos partiklarna godtyckligt störa och beter sig ganska oförutsägbart.Förflyttning av vätskor och gaser i dessa tillstånd är alltid övergående, och parametrarna för dessa icke-stationär kan ha ett mycket brett intervall.
Hur laminärt gasflöde blir turbulent, kan spåras på exemplet med stripor av röken från en brinnande cigarett i stillastående luft.Inledningsvis partiklarna rör sig nästan parallella banor oförändrad i tid.Rök verkar fast.Sedan någon gång plötsligt dyker stora virvlar som flyttar helt slumpmässigt.Dessa virvlar sönderfaller i mindre - för ännu mindre och så vidare.Slutligen är röken nästan blandas med omgivande luft.
Cycles turbulens
Exemplet ovan är en lärobok, och från sina iakttagelser forskare har gjort följande slutsatser:
- laminär och turbulent strömning är sannolikhets i naturen: övergången från en ordning till en annan är inte på exakt rätt plats och i en ganska godtycklig, slumpmässigtplats.
- första stora virvlar inträffar som är större än storleken på testar av rök.Rörelse blir ostadig och starkt anisotrop.Stora flöden blir instabila och bryts upp i mindre och mindre.Således finns det en hierarki av virvlar.Den rörelseenergi överförs från stora till små, och vid slutet av denna process försvinner - det finns energiupptagning vid små skalor.
- turbulent flöde är oberäkneligt: en speciell virvel kan vara i en helt slumpmässig, oförutsägbar plats.
- Blandning rök med luften inte ske i laminär och turbulent - är mycket intensiv.
- Trots att randvillkoren är stationära, turbulensen i sig har en uttalad gående natur - alla parametrar gasdynamiska förändras över tiden.
Det finns en annan viktig egenskap hos turbulens: det är alltid tre-dimensionell.Även om vi betraktar en endimensionell strömning i ett rör eller två-dimensionell gränsskiktet, är det fortfarande förflyttning av turbulenta virvlar uppträder i riktningarna för de tre axlarna.
Reynolds tal: formeln
övergång från laminär till turbulens som kännetecknas av den så kallade kritiska Reynolds tal:
Recr = (ρuL / μ) cr,
där ρ - densitet av flödet, U - den karakteristiska hastigheten för flödet;L - karakteristiska storleken av flödet, | j - dynamiska viskositetskoefficient, cr - över på ett rör med ett cirkulärt tvärsnitt.
exempel, att flyta med hastigheten u i röret som rördiametern L används.Osborne Reynolds visade att i detta fall 2300 & lt; Recr & lt;20000 Spridningen är mycket stor, nästan en storleksordning.
liknande resultat erhålls i gränsskiktet på en tallrik.Den karakteristiska dimensionen tas bort från den främre kanten av plattan, och sedan 3 × 105 & lt; Recr & lt;4 × 104.Om L definieras som tjockleken av gränsskiktet, 2700 & lt; Recr & lt;9000. Det finns experimentella studier som har visat att värdet av Recr kan vara ännu större.
begreppet hastighets störning
laminärt och turbulent fluidflöde och följaktligen det kritiska värdet på Reynolds tal (Re) beror på många faktorer:. Tryckgradienten, höjden av kullar grovhet, turbulensintensiteten i den yttre flöde, temperatur och så vidare För enkelhetens skullDessa faktorer kallas totala harm hastighet, eftersom de har ett visst inflytande på flödeshastigheten.Om denna störning är liten, kan det betalas tillbaka viskösa krafter som försöker att anpassa hastighetsfältet.För stora störningar inom kan bli instabil, och det är oroligt.
Med tanke på att den fysiska innebörden av Reynolds tal - förhållandet mellan tröghetskrafter och viskösa krafter, flödesstörningar som omfattas av formeln:
Re = ρuL / μ = ρu2 / (μ × (u / L)).
Täljaren är två gånger hastigheten huvudet, och nämnaren - värdet av att ha det förfarande friktions stress, om L tas som tjockleken hos gränsskiktet.Dynamiskt tryck tenderar att förstöra balansen och friktionskrafter motsätter sig detta.Emellertid är det oklart varför tröghetskraften (eller dynamiskt tryck) förändras endast när de är 1000 gånger mer viskösa krafter.
beräkningar och fakta
förmodligen mer bekväma för att användas som en karakteristisk hastighet Recr inte absolut flödeshastighet u, och hastigheten störning.I detta fall kommer det kritiska Reynolds tal vara ca 10, är att över det dynamiska trycket störning över de viskösa spänningar 5 gånger det laminära flöde till en turbulent fluidflöden.Denna definition Re enligt vissa forskare är väl förklaras av följande experimentellt bevisade fakta.
att perfekt likformig hastighetsprofil på en perfekt slät yta traditionellt bestämmes av antalet Recr går mot oändligheten, dvs övergången till turbulens är inte egentligen finns.Men Reynolds tal bestäms från hastighets störningen är mindre än det kritiska värdet, vilket är lika med 10.
förekomsten av artificiella turbulens, vilket leder till en ökning av hastighet, jämförbar med prime-räntan blir flödet turbulent vid mycket lägre Reynoldstal än Recr, vissa absolutahastighetsvärde.Detta gör det möjligt att använda värdet av koefficienten Recr = 10, där den karakteristiska hastigheten är det absoluta värdet av hastigheten störning som orsakas av ovan nämnda skäl.
stabilitet laminärt flöde i rörledningen
laminär och turbulent strömning karakteristiska för alla typer av vätskor och gaser i olika miljöer.I naturen, laminära flöden är sällsynta och utmärks av till exempel, för att begränsa underjordiska vattendrag på slätterna.Mycket mer bekymrade över denna fråga inom ramen för vetenskapliga tillämpningar för pipeline transport av vatten, olja, gas och andra vätskor.
ifråga stabiliteten hos laminärt flöde är nära besläktad med studiet av de störda rörelsen hos huvudflödet.Det har visat sig påverkas av så kallade små störningar.Beroende på om de växer eller blekning över tiden, är den grundläggande flödet vara stabil eller instabil.
komprimer och komprimer vätskor
En av de faktorer som påverkar laminär och turbulent strömning av vätskan är dess komprimerbarhet.Denna egenskap hos fluiden är särskilt viktigt vid studiet av stabiliteten hos icke-stationära processer i en snabb förändring av huvudflödet.
Studier visar att det laminära flödet av en inkompressibel vätska i en cylindrisk rörsektion resistent mot relativt små axelsymmetriska och icke-axialsymmetriska störningar i tid och rum.
Nyligen görs beräkningarna på påverkan av störningar på motståndet axelsymmetrisk flödet i inloppsdelen av den cylindriska röret där huvudströmmen är beroende av två koordinater.Koordinataxeln av röret betraktas som en parameter, som beror på hastighetsprofilen hos huvudflödesröret radie.
Slutsats Trots århundraden av studien, kan man inte säga att laminär och turbulent strömning studerats ingående.Experimentella studier på mikronivå ställer nya frågor som kräver ett motiverat beräknings motivering.Den typ av forskning tillämpas och nytta: världen som tusentals kilometer av vatten, olja, gas och produkt.De mer tekniska lösningar genomförs för att minska turbulensen under transporten, desto effektivare blir det.
