Lamināras un turbulentā plūsma. šķidruma plūsmas režīmi

Pētot īpašības šķidrumi un gāzes plūsma ir ļoti svarīga, lai nozares un komunālajiem pakalpojumiem. Laminārās un turbulentā plūsma ietekme uz ūdens transporta likmi, naftas, dabasgāzes cauruļvadi dažādiem mērķiem, ietekmē arī citus parametrus. Šīs problēmas do zinātnes hidrodinamika.

klasifikācija

Zinātniskajā vidē šķidruma plūsmas režīmu un gāzes iedalās divās ļoti atšķirīgās klasēs:

• lamināras (tintes);
• trauksmains.

Arī atšķirt pārejas posmu. Starp citu, termins "šķidrums" ir plaša nozīme: tas var būt nesaīsināmais (šķidrums patiesībā ir), kas ir saspiežams (gāze), vadošs, utt ...

slimības vēsture

Vēl Mendeļejevs 1880., ideja esamību divas pretējās plūsmas režīmiem tika izteikts. Lai iegūtu sīkāku informāciju par šo jautājumu izskatīja britu fiziķis un inženieris Osborne Reynolds, kas pabeiguši pētījumu 1883. gadā. Pirmkārt, praktiski, un tad, izmantojot formulas tiek konstatēts, ka zemu plūsmas ātrumu šķidro transporta kļūst laminārās forma: slāņus (daļiņu plūsmas) ir gandrīz nav sajauc un pārvietoties pa paralēlām ceļiem. Tomēr pēc pārvarot noteiktu kritisko vērtību (jo dažādos apstākļos tas ir atšķirīgs), tiek mainīti nosaukumi Reynolds skaits šķidrums plūsmas nosacījumi: reaktīvo plūsma kļūst haotiska virpulis - proti, trauksmains. Kā izrādījās, šie parametri ir zināmā mērā raksturīga un gāzes.

Praktiski angļu zinātnieks aprēķini liecināja, ka uzvedību, piemēram, ūdens, ir lielā mērā atkarīga no formas un izmēru no tvertnes (caurules, kanāli, asinsvados, uc), kurā tā plūsmas. Jo caurulēm ar apļveida šķērsgriezumu (piemēram, ko izmanto, lai montāžas spiediena cauruļvadu), tā Reinoldsa skaitlis - formula par kritisko stāvokli ir aprakstīts šādi: Re = 2300. Lai atvērtu plūsmas kanālu Reinoldsa skaitlis ir atšķirīgs: Re = 900. Mazākiem vērtībām Re ir pasūtīts, kopumā - haotiska.

laminārās plūsmas

Atšķirībā no laminārās plūsmas trauksmains ir raksturs un virziens no ūdens (gāze) plūsmas. Viņi pārvietot slāņi nejaucot un bez pulsācijas. Citiem vārdiem sakot, kustība notiek vienmērīgi, bez neparastas lec spiediena virzienu un ātrumu.

Lamināras šķidruma plūsma ir izveidota, piemēram, šaurās asinsvados par dzīves lietām, augiem kapilāru un salīdzināmos apstākļos, pie strāvas ļoti viskozu šķidrumu (degvieleļļas pa cauruļvadu). Lai vizualizētu reaktīvo plūsmu, ir pietiekams, lai atklātu mazliet krānu - ūdens plūst mierīgi, vienmērīgi, bez maisīšanas. Ja atskrūvēt krānu līdz galam, sistēma spiediens palielināsies un plūsma kļūs haotiska.

turbulentā plūsma

Atšķirībā no laminārās, kur kaimiņu daļiņas pārvietoties gar būtībā paralēlas ceļus, veidotos turbulenta plūsma no šķidruma ir traucēts daba. Ja mēs izmantojam Lagrange pieeju, trajektorijas daļiņas var patvaļīgi pārklāties un uzvedas diezgan neparedzami. Kustība uz šķidrumiem un gāzēm saskaņā ar šiem nosacījumiem vienmēr ir pārejoša, ar šiem parametriem nonstationarities var būt ļoti plašs.

Kā kārtaina gāzu ieplūdi nemierīgos režīma ieņēmumiem, var uzraudzīt, piemēra wisps dūmu no degošas cigaretes mierīgos. Sākotnēji daļiņas pārvietoties gandrīz paralēlas ceļus nemainīgus laikā. Dūmu šķiet fiksēts. Tad kādā brīdī pēkšņi ir lieli Virpuļi kas pāriet pilnīgi nejauši. Šie virpuļu plīsumi mazākos - par vēl mazāks un tā tālāk. Galu galā, praktiski smēķē maisījumi ar apkārtējo gaisu.

turbulence cikli

Iepriekš minētais piemērs ir mācību grāmata, un no viņa novērojumiem zinātnieki ir veikuši šādus secinājumus:

1. Lamināras un turbulentā plūsma ir varbūtības raksturs: pāreja no viena režīma uz otru, nav tieši īstajā vietā, un tādā diezgan patvaļīgi, izlases vietā.
2. Pirmkārt, pastāv lielas virpuļi, kas ir lielāks nekā lielums wisps dūmi. Kustības kļūst nestabila un ļoti anizotrops. Lielas plūsmas kļūst nestabila un lauzt augšup mazāks un mazāks. Tādējādi pastāv hierarhija virpuļiem. Par kustības enerģija tiek nodota no liela līdz mazam, un beigās šī procesa pazūd - enerģijas izšķērdēšana notiek mazos mērogos.
3. Turbulentā plūsma ir nevienmērīga: īpaša virpulis var būt pilnīgi nejauši, neprognozējama vieta.
4. Sajaucot dūmus ar gaisu nenotiek saskaņā ar laminārās plūsmas un nevaldāma - ir ļoti intensīva.
5. Neskatoties uz to, ka robežnosacījumi ir stacionārs, turbulence pati ir izteikta pārejošas - visi gāzes dinamiskā parametrus laika gaitā mainās.

Ir vēl viens svarīgs īpašums turbulences: tas vienmēr ir trīsdimensiju. Pat ja mēs uzskatām viendimensionālu plūsmu caurulē vai divdimensiju virsmai joprojām kustības turbulentu virpuļiem notiek virzienos trīs koordinātu asīm.

Reynolds numurs: formula

Pāreja no laminārai turbulences raksturo tā saukto kritisko Reinoldsa numurs:

_{Re cr = (ρuL / ļi)} cr,

kur ρ - blīvums plūsma, u - plūsmas ātrums raksturīgs; L - plūsmas raksturīgo lielumu, μ - koeficientu dinamisko viskozitāti, cr - par ar cauruli ar apaļu šķērsgriezumu.

Piemēram, plūsma ar ātrumu u ar cauruļu L tiek izmantots kā caurules diametra. Osborne Reynolds parādīja, ka šajā gadījumā, 2300 kr <20000. Starpība ir ļoti liels, gandrīz par kārtu.

Līdzīgu rezultātu iegūst robežstarpsienā slānī vafele. Raksturīgais izmērs ir ņemts kā attālums no priekšējās plāksnes malas, un pēc tam: 3 x 10 ⁵ cr <4 x 10 ^4. Ja L ir definēta kā biezuma robežu slānī, 2700 kr <9000. Ir eksperimentāli pētījumi, kas liecina, ka vērtība Re _CR varētu būt vēl lielāks.

Koncepcija Ātruma perturbācijas

Laminārās un turbulentā šķidruma plūsmu, un attiecīgi, kritiskā vērtība Reinoldsa skaitlis (Re) ir atkarīga no daudziem faktoriem. No spiediena gradientu, augstumam izciļņiem raupjumu, turbulences intensitāti ārējā plūsmas, diferenciālās temperatūra, utt ērtības, šos kopējos faktorus sauc perturbācija ātrums jo tie ir zināma ietekme uz plūsmas ātrumu. Ja šis traucējums ir mazs, to var atrisināt viskozs spēkiem cenšas saskaņot ātrumu lauku. Lielu perturbations plūsmu var kļūt nestabila, un turbulences notiek.

Ņemot vērā, ka fiziskā nozīmē Reinoldsa skaitlim - proporcija inerces spēka un viskozu spēkiem, aizvainojums plūsmas pārklāti ar formulu:

Re = ρuL / μ = ρu ² / (μ × (u / L )).

Skaitītājs ir divreiz ātrums galvu un saucējs - vērtība ir kārtībā no berzes stresa, ja L ir pieņemts kā biezuma robežu slāni. Dynamic spiediens mēdz iznīcināt līdzsvaru un berzes spēki pret to. Tomēr ir skaidrs, kāpēc spēki inerces (vai ātruma spiediens), noved pie izmaiņām, tikai tad, kad tie ir 1000 reizes vairāk viskozs spēki.

Aprēķini un fakti

Iespējams, ērtāk izmantot kā raksturīgu ātrumu Re _CR nav absolūts plūsmas ātrums u, un ātrums sajukums. Tādā gadījumā, kritiskais Reinoldsa skaitlis būs aptuveni 10, proti, kad pārsniedzot dinamiskais spiediens traucējumu viskozs stresu nekā 5 reizes laminārās plūsmas uz vētraino šķidruma plūsmu. Šī definīcija Re saskaņā ar dažiem zinātniekiem ir labi izskaidrojams ar šādiem eksperimentāli pierādītiem faktiem.

Par pilnīgi vienota ātruma profilu uz perfekti gludas virsmas tradicionāli nosaka skaitu Re _kr tiecas uz bezgalību, tas ir, pāreja faktiski notiek turbulences. Šeit Reinoldsa skaitlis nosaka, cik lielas perturbācija ātruma zem kritiskā vērtība, kas ir vienāda ar 10.

Klātbūtnē mākslīgā turbulences, izraisot uzplaiksnījuma ātrums salīdzināms ar pamata likmi, plūsma kļūst vētrainus pie daudz zemākas Reinoldsa skaitļu nekā Re _CR, nosaka no absolūtās vērtības ātrumu. Tas ļauj izmantot koeficienta Re _CR = 10, kur raksturīgs ātrums ir absolūtā vērtība ātruma perturbācija ko izraisa iepriekš minēto iemeslu dēļ.

Stabilitāte laminārās plūsmas režīma cauruļvada

Laminārās un turbulentā plūsma ir kopīga visiem šķidrumiem un gāzēm saskaņā ar dažādiem nosacījumiem veidiem. Laminārās raksturs plūsmas ir reti un ir raksturīgs, piemēram, šauru pazemes strautiem līdzenumiem. Daudz vairāk, šis jautājums ir bažas par zinātnieku kontekstā praktiski pielietojamām pārvadājumiem pa cauruļvadu ūdens, naftas, gāzes un citu šķidrumu.

Q laminārās plūsmas stabilitāte ir cieši saistīta ar studiju traucēta kustību galvenās plūsmas. Tika konstatēts, ietekmē tā saukto mazo perturbāciju. Atkarībā no tā, vai tie aug vai izzust laikā, pamata plūsma tiek uzskatīta par stabilu vai nestabils.

For saspiežams un nav saspiežams šķidrumu

Viens no faktoriem, kas ietekmē laminārā un turbulentā šķidruma plūsma ir tās saspiežamība. Šis šķidrums īpašums ir īpaši svarīga pētījumā par stabilitāti nestacionāriem procesu ar straujajām pārmaiņām primāro strāvu.

Pētījumi liecina, ka lamināro plūsmu no nesaspiežams arī šķidruma cauruļu cilindriskās daļas ir izturīgas pret relatīvi maziem axisymmetric un non-axisymmetric traucējumu laikā un telpā.

Nesen, aprēķinus veic uz ietekmi traucējumu par axisymmetric plūsmas pretestību ieplūdes daļu no cilindriska caurule, kurā galvenā strāva ir atkarīga no divām koordinātēm. Koordinātu ass caurules tiek uzskatīts par parametru, kas ietekmē ātruma profilu gar rādiusu galvenās plūsmas cauruli.

secinājums

Neskatoties uz gadsimtiem pētījumu, mēs nevaram teikt, ka laminārā un turbulentā plūsma tiek rūpīgi pētīta. Eksperimentālie pētījumi par mikro līmenī, rada jaunus jautājumus, kas prasa pamatotu aprēķinu pamatojumu. Pētījuma būtība ir pieteikums un izmantošana: pasaules tūkstošiem kilometru ūdens, naftas, gāzes un produktu. Jo ilgāk ieviestie tehniskie risinājumi samazināšanas turbulences transportēšanas laikā, jo efektīvāka tā būs.