Ламинарен и турбулентен поток. Режими на потока

Проучването на свойствата на потоците от течности и газове е много важно за индустрията и комуналните услуги. Ламинарният и турбулентен поток влияе на скоростта на транспортиране на вода, нефт, природен газ чрез тръбопроводи с различни цели, оказва влияние върху други параметри. Науката за хидродинамиката се занимава с тези проблеми.

класификация

В научна среда поточните режими на течност и газове се разделят на два напълно различни класа:

• ламинарен (струя);
• бурен.

Разграничавайте и преходния етап. Между другото, терминът "течност" има широк смисъл: може да бъде несвиваем (всъщност е течност), свиваем (газ), проводим и т.н.

история на заболяването

Още през 1880 г. Менделеев изрази идеята за съществуването на два противоположни режима на потока. Британският физик и инженер Осбърн Рейнолдс е разгледал този въпрос по-подробно, завършвайки изследването през 1883 г. Първо, на практика, и след това с формули се установи, че при ниска скорост на потока на течност транспорт става ламинарен форма: слоеве (поток частици) почти не се смесват и се движи по паралелни пътеки. Въпреки това, след преодоляване на определена критична стойност (за различни условия е различно), условията на протичане на течността от заглавието число на Рейнолдс се променят: струйния поток става хаотично вихър - т.е. турбулентен. Както се оказа, тези параметри са до известна степен характерни за газовете.

Практическите изчисления на английския учен показват, че поведението, например, на водата, зависи до голяма степен от формата и размера на резервоара (тръба, легло, капиляр и др.), През който минава. В тръбите с кръгло напречно сечение (използвано за монтиране на тръбопроводи за налягане), номерът на Рейнолдс - формулата критично състояние се описва както следва: Re = 2300. За ток по отворен канал Рейнолдс номер друг: Re = 900. При по-ниски стойности на Re, потокът ще бъде подреден, като цяло - хаотичен.

Ламинарен поток

Разликата между ламинарен поток и турбулентен поток е в характера и посоката на потоците вода (газ). Те се движат на слоеве, без смесване и без пулсации. С други думи, движението преминава равномерно, без случайни скокове на натиск, посока и скорост.

Ламинарен поток от течност се образува, например, в тесен кръвоносни съдове живи същества, капиляри на растения и при сравними условия, по време на потока на много вискозни течности (мазут чрез тръбопровод). За да видите визуално потока на струята, е достатъчно леко да отворите крана за водата - водата ще тече спокойно, равномерно, без да се смесва. Ако кранчето се завърти до края, налягането в системата ще се увеличи и токът ще стане хаотичен.

Турбулентен поток

За разлика от ламинарния поток, при който близките частици се движат по протежение на практически паралелни траектории, турбулентният поток на течност е неразрешен. Ако използваме Lagrange подхода, траекториите на частиците могат да се пресичат и да се държат съвсем непредвидимо. Подаването на течности и газове при тези условия винаги е нестационарно и параметрите на тези нестационарни състояния могат да имат много широк обхват.

Тъй като режимът на ламинарен поток на газа се превръща в турбулентен, може да се следва примерът на капка дим от изгаряща цигара в неподвижен въздух. Първоначално, частиците се придвижват на практика паралелно в траектории, променящи времето. Димът изглежда неподвижен. Тогава на място изведнъж се появяват големи вихри, които се движат напълно хаотично. Тези вихри се разпадат на по-малки, тези в дори по-малки и т.н. В крайна сметка, димът е практически смесен с околния въздух.

Цикли на турбулентност

Горният пример е учебник, а от наблюдението му учените са направили следните изводи:

1. Ламинарният и турбулентният поток имат вероятностна природа: преходът от един режим към друг не се осъществява на точно определено място, а на доста произволно случайно място.
2. На първо място се появяват големи вихри, чийто размер е по-голям от размера на пушека. Предложението става нестационарно и силно анизотропно. Големите потоци губят стабилност и се разпадат на по-малки и по-малки. Така възниква цяла йерархия на вихри. Енергията на тяхното движение се прехвърля от големи на малки и в края на този процес изчезва - има разсейване на енергия в малки мащаби.
3. Режимът на турбулентния поток е случаен: един или друг вихър може да се появи в напълно произволно, непредсказуемо място.
4. Смесването на дим с атмосферния въздух практически не се осъществява при ламинарни условия, но когато е турбулентно, то е много интензивно.
5. Независимо от факта, че граничните условия са неподвижни, самите турбуленции имат подчертан нестационарен характер - всички газови динамични параметри варират с течение на времето.

Съществува и друга важна характеристика на турбуленцията: тя винаги е триизмерна. Дори ако разгледаме едноизмерен поток в тръба или двуизмерен граничен слой, движението на турбулентни вихри все още се движи в посоките на трите координатни оси.

Рейнолдс номер: формула

Преходът от ламинарност към турбулентност се характеризира с така наречения критичен номер на Рейнолдс:

ре_кр = (rho-uL / микро-)_кр,

където rho е плътността на потока, u е характерната скорост на потока, L е характерният размер на потока, микро- съотношение динамичен вискозитет, cr - преминава през тръба с кръгло напречно сечение.

Например, за поток със скорост u в тръба се използва L диаметъра на тръбата. Озбърн Рейнолдс показа, че в този случай 2300 _кр< 20000. Разпространението е много голямо, почти по магнитуд.

Подобен резултат се получава в граничния слой на плочата. Характерното измерение се взема от водещия ръб на плочата и след това: 3 × 10⁵ _кр< 4 × 10⁴. Ако L е дефинирана като дебелината на граничния слой, тогава 2700 _кр< 9000. Има експериментални изследвания, които показват, че стойността на Re_кр може да бъде още повече.

Понятието за бързина на скоростта

Ламинарния и турбулентен поток течност и съответно критичната стойност на числото на Рейнолдс (Re) зависи от голям брой фактори. От градиента на налягане, височината на неравности грапавост, интензитет турбуленция във външния поток, диференциална температура и т.н. За удобство, тези съвкупните фактори се наричат ​​смущение скорост , тъй като те имат известен ефект върху скоростта на потока. Ако това смущение е малко, то може да бъде погасено от вискозни сили, които имат тенденция към изравняване на скоростното поле. При големи смущения потокът може да загуби стабилност и да възникне турбуленция.

Като се има предвид, че физическото значение на числото на Рейнолдс е съотношението на инерционните сили и силите на вискозитета, смущението на потоците попада под действието на формулата:

Re = rho-uL / micro- = р-ф²/ (микро-х (u / L)).

В числителя има двойна скоростна глава, а в знаменателя има количество от порядъка на фрикционното напрежение, ако дебелината на граничния слой е взета като L. Високоскоростното налягане има тенденция да унищожи баланса и фрикционни сили противодействие на това. Не е ясно обаче защо инерционни сили (или високоскоростната глава) водят до промени само когато са 1000 пъти по-големи от силите на вискозитета.

Изчисления и факти

Вероятно по-удобно би било да се използва като характерна скорост в Re_кр не абсолютната скорост на потока u, но скоростта на смущение. В този случай критичното число на Reynolds ще бъде от порядъка на 10, т.е. ако скоростната глава превиши вискозните напрежения с коефициент 5, ламинарният поток на флуида тече в турбулентен. Това определение на Re според мнението на редица учени обяснява добре следните експериментално потвърдени факти.

За идеално еднакъв профил на скорост на идеално гладка повърхност, традиционно определен брой Re_кр има тенденция към безкрайност, т.е. практически няма преход към турбулентност. Но числото на Рейнолдс, определено от величината на смущенията на скоростта, е по-малко от критичната, която е равна на 10.

При наличието на изкуствена турбулентност, причинявайки поредица от скорости, сравними с основната скорост, потокът става турбулентен при много по-нисък Reynolds номер от Re_кр, определена от абсолютната стойност на скоростта. Това ни позволява да използваме стойността на коефициента Re_кр = 10, където като характеристична скорост се използва абсолютната стойност на смущенията на скоростта, причинени от горните причини.

Стабилност на ламинарния поток в тръбопровода

Ламинарният и турбулентен поток е типичен за всички видове течности и газове при различни условия. В природата ламинарният поток се среща рядко и е характерен например при тесни подземни потоци при плоски условия. Много повече този въпрос е от значение за учените в контекста на практическото приложение за транспортиране на вода, петрол, газ и други технически течности чрез тръбопроводи.

Стабилността на ламинарния поток е тясно свързана със изследването на нарушеното движение на главния поток. Установено е, че то е подложено на действието на така наречените малки смущения. В зависимост от това дали те избледняват или растат с времето, основният ток се счита за стабилен или нестабилен.

Поток на свиваеми и не-компресируеми течности

Един от факторите, влияещи върху ламинарния и турбулентния поток на течността, е неговата компресивност. Това свойство на течност е особено важно при изследването на стабилността на нестационарните процеси с бърза промяна в земния поток.

Изследванията показват, че ламинарният поток на несвиваем флуид в цилиндричните тръби е устойчив на относително малки оссиметрични и неосиметрични смущения във времето и пространството.

Наскоро бяха направени изчисления за влиянието на оссиметричните смущения върху стабилността на потока в входящата част на цилиндричната тръба, където основният поток зависи от две координати. Координатът по оста на тръбата се счита за параметър, върху който профилът на скоростта зависи от радиуса на главната тръба.

заключение

Независимо от вековете на проучването, не може да се каже, че и ламинарните, и турбулентните потоци са били напълно проучени. Експерименталното изследване на микро ниво поставя нови въпроси, които изискват обоснована обосновка. Естеството на изследванията е също така практично: в света са разположени хиляди километри от вода, нефт, газ и продуктови тръбопроводи. Колкото по-технически решения за намаляване на турбуленцията по време на транспортирането, толкова по-ефективна ще бъде тя.