Flusso laminare e turbolento. regimi di flusso del fluido

Studiare le proprietà dei liquidi e gas flusso è molto importante per l'industria e servizi pubblici. Il laminare ed effetto turbolento sul tasso di trasporto di acqua, olio, metanodotti per vari scopi, colpisce gli altri parametri. Questi problemi fanno idrodinamica della scienza.

classificazione

Nell'ambiente scientifico di regimi di flusso di fluido e gas sono divisi in due classi ben distinte:

• laminare (inchiostro);
• turbolenta.

distinguere Anche fase di transizione. Per inciso, il termine "liquido" ha un ampio significato: può essere incomprimibile (liquido effettivamente), un comprimibile (gas), conduttivo, ecc …

case history

Un altro Mendeleev nel 1880 l'idea dell'esistenza di due regimi di flusso opposti è stato espresso. Per maggiori dettagli su questo tema esaminato il fisico britannico e ingegnere Osborne Reynolds che hanno completato lo studio nel 1883. In primo luogo, praticamente, e quindi utilizzando formule si pensa che ad una portata bassa di trasporto liquido diventa forma laminare: strati (flusso di particelle) è quasi non mescolare e muoversi lungo percorsi paralleli. Tuttavia, dopo aver superato un certo valore critico (per condizioni diverse è diverso), il titolo numero di Reynolds condizioni di flusso di liquido vengono modificate: il flusso del getto diventa caotico vortice – cioè turbolento. Come si è scoperto, questi parametri sono in certa misura intrinseca e gas.

Pratici calcoli scienziato inglesi hanno dimostrato che il comportamento, per esempio acqua, è fortemente dipendente dalla forma e le dimensioni del serbatoio (tubi, canali, capillari, etc.), in cui scorre. In tubi avente una sezione trasversale circolare (ad esempio utilizzato per il montaggio di tubazioni di pressione), il suo numero di Reynolds – la formula dello stato critico è descritto come segue: Re = 2300. Al fine di aprire il canale di flusso del numero di Reynolds è diverso: Re = 900. Per valori minori per Re è ordinato, in generale – caotica.

flusso laminare

A differenza di un turbolento flusso laminare è la natura e la direzione di acqua (gas) fluisce. Si muovono gli strati senza mescolare e senza pulsazioni. In altre parole, il movimento avviene in modo uniforme senza salti discontinui nella direzione pressione e velocità.

flusso di fluido laminare è formato, per esempio, in stretti vasi sanguigni di esseri viventi, i capillari piante e condizioni simili, con una corrente di liquidi molto viscosi (olio combustibile attraverso la conduttura). Per visualizzare il flusso del getto è sufficiente per rivelare un colpetto – acqua scorrerà tranquillamente, in modo uniforme, senza mescolare. Se svitare il perno alla fine, la pressione del sistema aumenta e il flusso diventerà caotico.

flusso turbolento

A differenza di un laminare, in cui le particelle adiacenti si muovono lungo percorsi sostanzialmente paralleli, un flusso turbolento di fluido è natura disordinata. Se usiamo l'approccio Lagrange, le traiettorie delle particelle possono sovrapporsi in modo arbitrario e si comportano abbastanza imprevedibile. Circolazione di liquidi e gas in queste condizioni sono sempre transitori, con questi parametri nonstationarities possono avere una gamma molto ampia.

Mentre il flusso di gas laminare in regime turbolento procede, può essere monitorata con l'esempio fili di fumo di una sigaretta accesa in aria. Inizialmente, le particelle si muovono percorsi quasi paralleli inalterate nel tempo. Fumo sembra risolto. Poi ad un certo punto all'improvviso ci sono grandi vortici che si muovono completamente casuale. Questi vortici rompono in quelle più piccole – in ancora più piccola e così via. Alla fine, praticamente fumo si mescola con l'aria circostante.

cicli turbolenza

L'esempio di cui sopra è un libro di testo, e dalle sue osservazioni gli scienziati hanno fatto le seguenti conclusioni:

1. Laminare e turbolento sono di natura probabilistica: il passaggio da una modalità all'altra non è esattamente nel posto giusto, e in una posizione casuale piuttosto arbitraria.
2. In primo luogo, ci sono grandi vortici che sono più grandi rispetto alle dimensioni del volute di fumo. Movimento diventa instabile e fortemente anisotropico. Grandi flussi diventano instabili e si disgregano in sempre più piccole. Quindi, v'è una gerarchia di vortici. L'energia di movimento è trasferito da grandi a piccoli, e al termine di questo processo scompare – dissipazione di energia avviene a piccola scala.
3. flusso turbolento è irregolare: un particolare vortice può essere in un luogo imprevedibile completamente casuale.
4. Miscelazione fumi con aria ambiente non avviene sotto flusso laminare, e in turbolenta – è molto intenso.
5. Nonostante il fatto che le condizioni al contorno sono fermi, la turbolenza si ha un transitorio pronunciata in natura – tutti i parametri di gas-dinamico cambiano nel tempo.

C'è un'altra importante proprietà di turbolenza: è sempre tridimensionale. Anche se consideriamo flusso unidimensionale nel tubo o strato limite bidimensionale ancora moto di vortici turbolenti verificano nelle direzioni dei tre assi cartesiani.

numero di Reynolds: la formula

La transizione da laminare a turbolenza caratterizzata dal cosiddetto numero di Reynolds critico:

_{Re cr = (/ μ ρuL)} cr,

dove ρ – flusso di densità, u – portata caratteristico; L – flusso dimensioni caratteristiche, μ – il coefficiente di viscosità dinamica, cr – per mezzo di un tubo con una sezione trasversale circolare.

Ad esempio, per un flusso con velocità u nel tubo L viene utilizzato come il diametro del tubo. Osborne Reynolds ha dimostrato che in questo caso, 2300 <Re _cr <20000. La diffusione è molto grande, quasi un ordine di grandezza.

Un risultato simile è ottenuto nello strato limite sul wafer. La dimensione caratteristica viene preso come la distanza dal bordo anteriore del piatto, e poi 3 × ¹⁰ maggio <Re _cr <4 × ¹⁰ aprile. Se L è definita come lo spessore dello strato limite, il 2700 <Re _cr <9000. Ci sono studi sperimentali che hanno dimostrato che il valore di Re _Cr può essere anche maggiore.

Il concetto di velocità perturbazione

Il flusso laminare e fluido turbolento, e di conseguenza, il valore critico del numero di Reynolds (Re) dipende da un gran numero di fattori. Dal gradiente di pressione, l'altezza di dossi rugosità, turbolenza nel flusso esterno, temperatura differenziale, ecc Per comodità, questi fattori aggregati sono chiamati velocità perturbazione dal momento che hanno una certa influenza sulla portata. Se questo disturbo è di piccole dimensioni, può essere risolta forze viscose che cercano di allineare il campo di velocità. Per grandi perturbazioni del flusso può diventare instabile, e turbolenza si verifica.

Dato che il significato fisico del numero di Reynolds – il rapporto delle forze inerziali e forze viscose, risentimento flussi coperto dalla formula:

Re = ρuL / μ = ρu ² / (μ × (U / L )).

Il numeratore è il doppio della testa velocità e il denominatore – il valore è dell'ordine dello stress attrito, se L è preso come lo spessore dello strato limite. pressione dinamica tende a distruggere l'equilibrio e forze di attrito si oppongono. Tuttavia, non è chiaro perché le forze di inerzia (o pressione dinamica) portare a cambiamenti solo quando sono 1000 volte più forze viscose.

Calcoli e fatti

Probabilmente, più convenientemente essere usato come una velocità caratteristica Re velocità non _cr assoluta flusso u, e la perturbazione velocità. In questo caso, il numero di Reynolds critico sarà di circa 10, cioè quando supera il disturbo pressione dinamica sforzi viscosi oltre 5 volte il flusso laminare in un fluido scorre turbolento. Questa definizione Re secondo alcuni scienziati è ben spiegato dai seguenti fatti sperimentalmente provati.

Per un profilo di velocità perfettamente uniforme su una superficie perfettamente liscia è tradizionalmente determinata dal numero Re _cr tende all'infinito, cioè, la transizione si verifica effettivamente alla turbolenza. Qui il numero di Reynolds è determinato dalla grandezza della velocità perturbazione di sotto del valore critico, che è uguale a 10.

In presenza di turbolenza artificiale, causando tasso spruzzata comparabile con il tasso di base, il flusso diventa molto più bassi numeri di Reynolds turbolenti che Re _cr, determinate dal valore assoluto della velocità. Questo consente l'utilizzo del coefficiente Re _cr = 10, dove la velocità caratteristica è il valore assoluto della velocità perturbazione causata dai motivi sopra.

La stabilità del regime di flusso laminare in cantiere

Il flusso laminare e turbolento è comune a tutti i tipi di liquidi e gas in varie condizioni. La natura laminare del flusso sono rari e si contraddistinguono, per esempio, per stretti ruscelli sotterranei pianura. Molto di più, questo problema è di preoccupazione degli scienziati nel contesto di applicazione pratica per il trasporto da acqua conduttura, petrolio, gas e altri fluidi.

Q stabilità di flusso laminare è strettamente legato allo studio disturbato moto del flusso principale. E 'stato trovato a risentire le cosiddette piccole perturbazioni. A seconda che si sviluppano o svaniscono nel corso del tempo, il flusso di base è considerato stabile o instabile.

Per fluidi comprimibili e non comprimibili

Uno dei fattori che influenzano il flusso laminare e turbolento del fluido è la sua comprimibilità. Questa struttura fluido è particolarmente importante nello studio della stabilità dei processi non stazionarie rapido cambiamento della corrente primaria.

Gli studi indicano che il flusso laminare di un fluido incomprimibile nei tubi della sezione cilindrica è resistente alle relativamente piccole assialsimmetrici e non assialsimmetrici disturbi nel tempo e nello spazio.

Recentemente, calcoli sono effettuati sulla influenza dei disturbi sulla resistenza al flusso assialsimmetrico nella porzione di ingresso del tubo cilindrico in cui la corrente principale dipende dalle due coordinate. L'asse di coordinate del tubo viene considerato come parametro che influenza il profilo di velocità lungo il raggio del tubo di flusso principale.

conclusione

Nonostante secoli di studio, non possiamo dire che laminare e turbolento flusso viene studiato a fondo. Studi sperimentali a livello micro, sollevano nuove che richiedono una giustificazione calcolo razionale. La natura della ricerca è l'applicazione ed impiego: migliaia al mondo di chilometri di acqua, petrolio, gas e prodotti. Le soluzioni tecniche più il introdotte per la riduzione delle turbolenze durante il trasporto, tanto più efficace sarà.