Laminar og turbulent flæði. Flow Modes

Rannsóknin á eiginleika flæði vökva og lofttegunda er mjög mikilvægt fyrir iðnað og samfélagsþjónustu. Laminar og turbulent flæði hefur áhrif á hraða flutninga á vatni, olíu, jarðgasi í gegnum leiðslur af ýmsum tilgangi, hefur áhrif á aðrar breytur. Vísindin um vatnsdynamik fjalla um þessi vandamál.

Flokkun

Í vísindalegum kringumstæðum er flæðisstjórnun vökva og lofttegunda skipt í tvo mismunandi mismunandi flokka:

• Laminar (þota);
• Turbulent.

Einnig aðgreina yfirfærslustig. Við the vegur, hugtakið "fljótandi" hefur breitt merkingu: það getur verið incompressible (það er í raun vökvi), þjappanleg (gas), leiðandi, o.fl.

Bakgrunnur

Árið 1880 lýsti Mendeleyev einnig hugmyndinni um tilvist tveggja gagnasafna. Breski eðlisfræðingur og verkfræðingur Osborne Reynolds lærði þetta mál ítarlega og luku rannsóknunum 1883. Í fyrsta lagi og síðan með hjálp formúla komst hann að því að við lítilli flæðihraða tekur vökvasamsetning á lagskiptu formi: lögin (agnaflæði) eru varla blandaðir og hreyfa sig með samsíða brautum. Hins vegar, eftir að hafa náð ákveðnu gagnrýnu gildi (fyrir mismunandi aðstæður er það öðruvísi), sem kallast Reynolds númerið, breytast vökvastraumarnir reglulega: þotastríðið verður óskiptanlegt, hvirfilbylur - það er órótt. Eins og það kom í ljós eru þessar færibreytur að vissu marki einkennandi fyrir lofttegundir.

Hagnýtar útreikningar á enskum vísindamönnum hafa sýnt að hegðunin, til dæmis af vatni, veltur mjög á lögun og stærð lónsins (pípa, rás, háræð, osfrv.) Þar sem hún flæðir. Reynolds-númerið er skilgreint sem hér segir: Re = 2300. Fyrir flæði meðfram opnum rás er Reynolds-númerið öðruvísi: Re = 900. Við lægri Re-gildi mun flæðið vera pantað, Í stórum stíl - óskipulegur.

Laminar flæði

Mismunurinn á laminarflæði og óþolandi flæði er í eðli og stefnu vatnsins (gas). Þeir flytjast í lög, ekki blanda og án pulsations. Með öðrum orðum, hreyfingin fer jafnt og þétt, án þess að handahófi þrýstingur stökk, stefnu og hraði.

Laminar flæði vökva er myndast, til dæmis í þröngum æðum, lifandi verum, plöntuhúðaðrum og við sambærilegar aðstæður meðan á flæði mjög seigfljótandi vökva stendur (eldsneytisolía í gegnum leiðslur). Til að sjá sjónarhólfið strax, það er nóg að opna vatnsskrúfið lítillega - vatn mun flæða rólega, jafnt og án þess að blanda. Ef kraninn er snúinn til enda, mun þrýstingur í kerfinu aukast og núverandi verður óskipt.

Turbulent flæði

Í mótsögn við laminar flæði, þar sem nærliggjandi agnir hreyfa sig næstum samhliða brautum, er óstöðugt flæði vökva raskað. Ef við notum Lagrange nálgunina geta snefilbrautirnar geðþótta og hegðað sér alveg ófyrirsjáanlega. Hreyfingar vökva og lofttegunda við þessar aðstæður eru alltaf óstöðugir og breytur þessara óstöðugra ríkja geta haft mjög breitt svið.

Þegar lífræn flæði stjórn gassins breytist í turbulent einn getur maður rekja það með dæmi um að reykja af reyki af brennandi sígarettu í kyrrstöðu. Í fyrsta lagi hreyfist agnirnar nánast samsíða í tímabundnum ferlum. Reykurinn virðist vera hreyfingarlaus. Síðan eru þeir í stað skyndilega stórir köttur, sem hreyfast algerlega sjálfkrafa. Þessar hvirfur brjóta upp í smærri, þær í jafnvel smærri og svo framvegis. Að lokum er reykurinn næstum blandaður við nærliggjandi loft.

Cycles of turbulence

Ofangreind dæmi eru kennslubók eitt og frá athugun sinni gerðu vísindamenn eftirfarandi ályktanir:

1. Lagskiptin og turbulent flæði er líkleg til að vera: Umskipti frá einum ham til annars koma ekki fram á einmitt ákveðnum stað en í nokkuð handahófi, handahófi stað.
2. Í fyrsta lagi birtast stórar hvirfurnar, en stærð þeirra er stærri en stærð reykingarinnar. Hreyfingin verður óstöðug og mjög anisotropic. Stór flæði missa stöðugleika og brjóta niður í smærri og minni. Þannig myndast allt stigveldi vortices. Orkan hreyfingarinnar er flutt frá stórum til litlum og í lok þessa ferils hverfur - orkutapur á sér stað í litlum mæli.
3. The turbulent flæði stjórn er af handahófi: einn eða annan hvirfli getur birst á algjörlega handahófskennt, ófyrirsjáanlegt stað.
4. Blöndun reyks með andrúmslofti kemur nánast ekki undir lagskiptakerfið og þegar það er órótt er það mjög mikil.
5. Þrátt fyrir þá staðreynd að mörkaðstæður eru kyrrstæðar, hefur óróleiki sjálft áberandi óstöðug einkenni - öll gasdynamisk breytur eru breytilegar eftir tímanum.

Það er annar mikilvægur eiginleiki óróa: það er alltaf þrívítt. Jafnvel ef við lítum á einvídda flæði í pípu eða tvívíddarmörkum, rennur hreyfingu órólegra flóðanna áfram í áttir allra þriggja hnitanna.

Reynolds tala: formúla

Umskiptin frá lélegt að ójafnvægi einkennist af svokölluðu mikilvægum Reynolds númerinu:

Re _cr = (ρuL / μ) _cr,

Þar sem ρ er flæðisþéttleiki er þú einkennandi flæðishraði; L er einkennandi flæðisstærð, μ er kolefnisþéttni seigju og cr er flæði meðfram pípu með hringlaga þvermáli.

Til dæmis, fyrir flæði með hraða u í pípu, er þvermál pípunnar notað sem L. Osborne Reynolds sýndi að í þessu tilfelli 2300 cr <20000. Útbreiðsla er mjög stór, næstum stærðargráðu.

Svipað niðurstaðan er fengin í mörkunum á plötunni. Einkennandi vídd er fjarlægðin frá framhlið plötunnar og síðan: 3 × 10 ⁵ cr <4 × 10 ⁴ . Ef L er skilgreint sem þykkt mörkunarlagsins, þá er 2700 cr <9000. Það eru tilraunir sem sýndu að gildi Re _cr getur verið enn meiri.

Hugmyndin um hraða truflun

Lagskiptin og turbulent flæði vökvans og því gagnrýni á Reynolds-númerið (Re) fer eftir fjölmörgum þáttum: þrýstingshæðin, hæð ójöfnuhnúta, óróa í ytri flæði, hitastigsmun o.fl. Til þæginda eru þessi heildarþættir einnig kallaðir hraða truflanir , Þar sem þau hafa ákveðin áhrif á flæðihraða. Ef þessi truflun er lítil getur það verið slökkt með seigfljótandi sveitir sem líkja til að jafna hraðavöllinn. Fyrir stórar truflanir getur flæði tapað stöðugleika og óróa myndast.

Með tilliti til þess að líkamleg merking Reynolds númerið er hlutfall truflunar sveitir og seigja sveitir, er truflun á flæði háð formúlunni:

Re = ρuL / μ = ρu ² / (μs (u / L)).

Í tælninum er tvöfalt hraðahaus og í nefnara er magn af röð friðarlagsins, ef þykkt markamerkisins er tekin sem L. Háhraðaþrýstingur hefur tilhneigingu til að eyðileggja jafnvægið og núningshreyfingar gegn þessu. Hins vegar er ekki ljóst hvers vegna tregðuþrýstingarnir (eða háhraðahöfuðin) leiða til breytinga aðeins þegar þau eru 1000 sinnum meiri en seigjaöflurnar.

Útreikningar og staðreyndir

Sennilega væri betra að nota sem einkennandi hraði í Re _cr ekki hreint flæðihraða u, en hraða truflunin. Í þessu tilfelli mun gagnrýninn Reynolds tala vera í röð 10, það er að segja ef hraðahöfuðið fer yfir seigfljótastigið með stuðlinum 5, rennur laminarflæðið af vökvanum inn í óróa. Þessi skilgreining á Re, að mati fjölda vísindamanna, útskýrir vel eftirfarandi tilraunaverndar staðreyndir.

Fyrir fullkomlega samræmda hraða uppsetningu á fullkomlega sléttum yfirborði, þá er venjulega ákveðinn fjöldi Re _cr tilhneigingu til að vera óendanleiki, það er nánast engin breyting á óróa. En Reynolds númerið, ákvarðað af magni hraða truflun er minna en gagnrýninn einn, sem er jafn 10.

Í nærveru gervilistar, sem veldur hraða sem er sambærileg við aðalhraða, verður flæðið óstöðugt við miklu lægri gildi Reynolds númersins en Re _cr , ákvarðað af algerum hraða. Þetta gerir okkur kleift að nota gildi stuðullinn Re _cr = 10, þar sem gildi hraðhraðastillingarinnar, sem orsakast af ofangreindum ástæðum, er notaður sem einkennandi hraði.

Stöðugleiki laminarflæðis í leiðslum

Laminar og turbulent flæði er dæmigerð fyrir allar tegundir vökva og lofttegunda við mismunandi aðstæður. Í náttúrunni eru laminarflæði sjaldgæf og dæmigerð, til dæmis fyrir þröng neðanjarðarflæði í flötum skilyrðum. Mikið meira er þetta mál áhyggjuefni vísindamanna í samhengi við hagnýt forrit til að flytja vatn, olíu, gas og aðra tæknilega vökva í gegnum leiðslur.

Stöðugleiki laminarflæðis er nátengd við rannsókn á truflun hreyfingar aðalflæðisins. Það er staðfest að það er undir áhrifum svokallaða litla truflana. Það fer eftir því hvort þeir hverfa eða vaxa með tímanum, aðalstraumurinn er talinn stöðugur eða óstöðugur.

Flæði þjappanlegra og óþrýstanlegra vökva

Ein af þeim þáttum sem hafa áhrif á þéttleika og óþrjótandi flæði vökva er þjappleiki þess. Þessi eign fljótandi er sérstaklega mikilvægt í rannsókninni á stöðugleika óstöðugra ferla með hraðri breytingu á grunnflæði.

Rannsóknir sýna að laminarflæði ósamrýmanlegs vökva í sívalningsrörum er stöðug að tiltölulega litlum ásumhverfum og ósamhverfum truflunum í tíma og rúmi.

Undanfarið hafa verið gerðar útreikningar á áhrifum ásamhverfis truflana á stöðugleika flæðis í inntakshluta sívalningsrörs, þar sem aðalflæði er háð tveimur hnitum. Hnitin meðfram pípunni er talin breytu þar sem hraða sniðið fer eftir radíus aðalrennslisrörsins.

Niðurstaða

Þrátt fyrir aldirnar í rannsókninni er ekki hægt að segja að bæði lagskiptir og óstöðugir flæði hafi verið rækilega rannsökuð. Tilraunirannsóknir á örstigi skapa nýjar spurningar sem krefjast rökstuddra forsenda. Eðli rannsóknarinnar er einnig hagnýt notkun: þúsundir kílómetra af vatni, olíu, gasi og vöruleiðslum eru lagðar í heiminum. Því fleiri tæknilegar lausnir til að draga úr órói meðan á flutningi stendur, því skilvirkari verður það.