Laminer ve türbülanslı akış. Sıvı akış rejimleri

sıvılar ve gazlar akışın özelliklerini incelemek sanayi ve kamu hizmetleri için çok önemlidir. Su nakil oranı laminer ve türbülanslı akış etkisi, yağ, çeşitli amaçlar için, doğal gaz boru hatları, diğer parametreleri de etkiler. Bu sorunlar bilim hidrodinamik yapmak.

sınıflandırma

akışkan akışı rejimlerinde ve gazların bilimsel ortamında iki çok farklı sınıflara ayrılırlar:

• laminer (mürekkep püskürtmeli);
• çalkantılı.

Ayrıca geçiş aşamasını ayırt eder. Bu arada, "sıvı" terimi geniş bir anlamı vardır: o sıkıştırılamaz olabilir (sıvı aslında), bir sıkıştırılabilir (gaz), iletken, vb ...

geçmiş

1880 yılında bir başka Mendeleev iki karşıt akım rejimleri varlığı fikri ifade edildi. Daha fazla ayrıntı için bu konuda 1883 yılında çalışmayı tamamladı İngiliz fizikçi ve mühendis Osborne Reynolds inceledi. Neredeyse karıştırın ve paralel yollar boyunca hareket değildir katmanları (partikül akışı): İlk olarak, uygun olarak, ve daha sonra, sıvı taşıma, düşük bir akış hızında laminer formu haline olduğu bulunmuştur formülleri kullanarak. Bununla birlikte, belirli bir kritik değeri (farklı koşullar için farklıdır) bastırdıktan sonra, başlıkta adı geçen Reynolds sayısı, sıvı akış koşulları değiştirilir: Jet Akış kaotik girdap olur - diğer bir deyişle, türbülanslı. Anlaşıldığı üzere, bu parametreler bir ölçüde doğal ve gazlar bulunmaktadır.

Pratik İngilizce bilim hesaplamalar, davranışı, örneğin, su, aktığı tankın (borular, kanallar, kılcal kısımlar, vs.), şekline ve boyutlarına bağlı olarak gerçekleştiğini göstermiştir. - borularda (montaj basınç boru tesisatı için kullanılan, örneğin) daire şeklinde bir enine kesite sahip olan, kendi Reynolds sayısı, formül kritik durumun akış kanalı açmak için 2300 = Re: aşağıda açıklanmıştır olan Reynolds sayısı , Re için daha küçük değerler için 900 = Re sıralanır: Farklı kaotik - serbest.

laminer akış

Laminer akış türbülanslı doğası ve su yönü tersine (gaz) akar. Onlar karışmadan ve sarsıntısız katmanları taşıyın. Diğer bir deyişle, hareket basınç yönü ve hızı düzensiz sıçramalar olmadan, eşit ölçüde yer almaktadır.

Laminer akış, dar, örneğin, oluşturulan kan damarları (boru hattı içinden akaryakıt) sahip çok viskoziteli sıvıların akımında, canlılar, bitkiler kılcal ve karşılaştırılabilir koşullar altında gerçekleştirilir. püskürtme akışını görselleştirmek için küçük bir musluk ortaya çıkarmak için yeterli olan - Su, karıştırma olmadan, eşit sessizce akacaktır. sonuna kadar tertibatı sökün, sistem basıncı artacak ve akış kaotik hale gelecektir.

türbülanslı akış

komşu parçacıklar büyük ölçüde paralel olan güzergahlar boyunca hareket ettiği bir malzeme tabakasından farklı olarak, bir sıvı türbülans akımı düzensiz doğasıdır. Biz Lagrange yaklaşımı kullanırsanız, parçacıkların yörüngelerini keyfi üst üste ve oldukça tahmin edilemeyecek davranabilir. Bu şartlar altında sıvı ve gazların hareketi nonstationarities çok geniş bir yelpazede olabilir bu parametrelerle, her zaman geçicidir.

türbülanslı bir rejim ilerledikçe içine laminar gaz akışı olarak, hala havada yanan bir sigaranın duman örneğin demetleri ile izlenebilir. Başlangıçta, parçacıklar zaman içinde değişmeden hemen hemen paralel yolları hareket eder. Duman sabit görünüyor. Sonra birdenbire bir noktada tamamen rastgele hareket büyük girdaplar vardır. Bu girdaplar küçük olanları içine break up - böylece daha küçük ve içine. Sonunda, neredeyse çevreleyen hava ile karışımları duman.

türbülans döngüleri

Yukarıdaki örnek bir ders kitabı ve onun gözlemlerinden bilim adamları şu sonuçlar yaptık:

1. Laminer ve türbülanslı akış doğada olasılıksal: Başka bir moddan diğerine geçiş tam doğru yerde değildir ve oldukça rasgele, rasgele bir konumda.
2. İlk olarak, duman demetleri boyutundan daha büyük olan büyük girdaplar vardır. Hareket kararsız ve şiddetle anizotropik hale gelir. Büyük akışlar kararsız hale ve daha küçük ve daha küçük ayrılıyoruz. Böylece, girdapların bir hiyerarşisi vardır. hareket enerjisi küçük büyük aktarılır ve bu işlemin sonunda kaybolur - enerji yitirme küçük ölçeklerde oluşur.
3. Türbülanslı akış düzensiz: Belirli bir girdap tamamen rasgele, önceden tahmin edilemeyen bir yerde olabilir.
4. Ortam havası ile duman Karıştırma laminer akış altında gerçekleşecek ve çalkantılı içinde değil - çok yoğundur.
5. Bütün gaz-dinamik parametreler zamanla değişir - sınır şartları durağan olmasına rağmen, türbülans kendisi doğada belirgin geçici vardır.

türbülans diğer önemli özelliği vardır: her zaman üç boyutludur. Biz boru veya iki boyutlu sınır tabakasında tek boyutlu akışı göz önünde bile hala çalkantılı girdapların hareket üç koordinat eksenlerinin yönlerde ortaya çıkar.

Reynolds sayısı: Formül

Laminer geçiş adlandırılan kritik Reynolds sayısı ile karakterize türbülansa:

_{= CR (ρuL / μ) yeniden} cr,

burada ρ - yoğunluk akış u - karakteristik akış oranı; L - karakteristik boyutu, akış μ - katsayısı dinamik viskozite, cr - için bir tüp, bir dairesel enine kesite sahip.

Örnek olarak, borunun L hızı u ile bir akış gibi kullanılan boru çapı. Osborne Reynolds gösterdi bu durumda, 2300 cr <20000. Yayılmış çok büyük, büyüklük olarak hemen hemen bir sipariş.

Benzer bir sonuç, gofret üzerindeki sınır tabakası elde edilir. karakteristik boyutu plakasının ön kenarı arasındaki mesafe olarak alınır, ve daha sonra 3 x ¹⁰ Mayıs <: Yeniden _cr <4 x ¹⁰ April. L sınır katmanının kalınlığı, 2700 olarak tanımlanmış ise <: Yeniden _cr <9000. Yeniden _cr değeri daha büyük olabileceğini göstermiştir deneysel çalışmalar mevcuttur.

hız pertürbasyonun kavramı

Laminer ve türbülanslı akış, ve buna uygun olarak, Reynolds sayısı (Re) kritik değeri faktörlerin büyük sayısına bağlıdır. basıncı gradyanı, kolaylık sağlamak için, vb tümsekler pürüzlülüğü, harici akış turbulans yoğunluğundaki, diferansiyel sıcaklık, yükseklikten, bu agrega faktörler pertürbasyon hızı olarak adlandırılır onlar akış oranı üzerinde belirli bir etkiye sahip beri. Bu rahatsızlık küçükse, bu hız alanını hizalamak isteyen viskoz kuvvetleri çözülebilir. akışın büyük tedirginlikler kararsız hale gelebilir için, ve türbülans meydana gelir.

: Atalet kuvvetleri ve viskoz kuvvetlerin oranı, kızgınlık formülü kapsadığı akışlarının - Reynolds sayısının fiziksel anlamı göz önüne alındığında

Re = ρuL / μ = ρu ² / (μ x (u / L )).

pay iki hız baş ve paydası - L sınır tabakasının kalınlığı olarak alınmıştır, değer, sürtünme stres mertebesindedir. Dinamik basınç dengesi ve yok etme eğilimindedir sürtünme kuvvetleri buna karşı çıkıyorlar. neden Ancak, belli değildir eylemsizlik kuvvetleri de 1000 kat daha viskoz kuvvetler yalnızca (veya hız basıncı) değişikliklere yol açar.

Hesaplamalar ve gerçekler

Muhtemelen, daha uygun Re _CR mutlak değildir akış hızı u, ve hız pertürbasyon karakteristik hızı olarak kullanılabilir. Bu durumda, önemli Reynolds sayısı türbülanslı bir sıvı akışı halinde 5 kez laminer akışı üzerinde dinamik basıncı arıza viskoz stresin artmasmı diğer bir deyişle yaklaşık 10 olacaktır. Bazı bilim adamlarına göre Re Bu tanım iyi aşağıdaki deneysel olarak kanıtlanmış gerçekler ile açıklanabilir.

_cr sonsuza eğilimi Re, tamamen pürüzsüz bir yüzey üzerine mükemmel biçimde muntazam bir hız profili, geleneksel sayısına göre belirlenir için, yani, geçiş aslında türbülans meydana gelir. Burada Reynolds sayısı 10'a eşittir kritik bir değerin altında pertürbasyon hız, büyüklüğü ile belirlenir.

Yapay türbülans varlığında, temel oran ile karşılaştırılabilir sıçrama oranı neden akış hızı mutlak değerinden tespit Re _cr daha türbülanslı çok daha düşük Reynolds _numaraları, olur. Bu karakteristik hız yukarıdaki nedenlerden kaynaklanan hız pertürbasyon mutlak değeri _cr = 10, Re katsayısı kullanımına izin verir.

Boru hattındaki laminer akış rejiminin Kararlılık

laminer ve türbülanslı akış çeşitli koşullar altında sıvı ve gazların, her türlü ortaktır. akış laminer doğası nadirdir ve dar yeraltı akıntıları, ova için, örneğin, karakterize edilir. Çok daha, bu konunun boru hattı su, petrol, gaz ve diğer sıvıları yoluyla taşınması için pratik uygulama bağlamında bilim adamlarının endişe vericidir.

Çalışma ana akış hareketi rahatsız Q laminer akış stabilitesi yakından ilgilidir. Bu sözde küçük tedirginlikler etkilenecek bulunmuştur. büyüyemez ve zamanla solup olmasına bağlı olarak, temel akış kararlı ya da kararsız olarak kabul edilir.

sıkıştırılabilir ve sıkıştırılabilir değil sıvıları için

Laminer ve türbülanslı sıvı akışı etkileyen faktörlerden biri sıkıştırılabilirlik olduğunu. Bu sıvı özelliği, birincil akım hızlı bir değişim ile durağan olmayan süreçler stabilitesinin çalışmada özellikle önemlidir.

Çalışmalar, silindirik bölümün tüplerde olmayan bir sıvı laminar akış zaman ve mekan olarak nispeten küçük bir eksenel simetrik ve non-eksenel simetrik bozukluğu dirençli olduğunu göstermektedir.

Ana akım iki koordinat bağımlı olduğu en son, hesaplamalar silindirik tüpün giriş bölümü içinde eksenel simetrik akış direncine bozuklukları etkisi üzerinde gerçekleştirilmektedir. Borunun koordinat ekseni ana akış borusunun yarıçap boyunca hız profilini etkileyen parametre olarak kabul edilir.

Sonuç

Çalışmanın yüzyıllar rağmen laminer ve türbülanslı akış iyice çalışılan olduğunu söyleyemeyiz. Mikro düzeyde Deneysel çalışmalar, bir gerekçeli hesaplama gerekçe gerektiren yeni sorunlar doğurur. su, petrol, gaz ve ürünün kilometrelik dünyanın binlerce: Araştırmanın doğası uygulama ve kullanımıdır. Taşıma sırasında türbülans azaltılması için daha uzun süre ortaya teknik çözüm, o kadar etkili olacaktır.