Laminar kaj turbulenta fluo. fluida fluo reĝimoj

Studante la ecoj de likvaj kaj gasoj fluo estas tre grava por la industrio kaj publikaj servoj. La laminar kaj turbulenta fluo efikon sur la akvo transporto kurzo, petrolo, natura gaso-duktoj por diversaj celoj, influas la aliaj parametroj. Ĉi tiuj problemoj do scienco hidrodinámica.

klasado

En la scienca medio de fluida fluo reĝimoj kaj gasoj estas dividitaj en du tre malsamaj klasoj:

• laminar (inkjet);
• turbulentas.

Ankaŭ distingi transiro. Por iu, la termino "likva" havas larĝan signifon: ĝi povas esti nekunpremebla (likva efektive estas), oni compresible (gaso), ŝoforino, ktp ...

kazo historio

Alia Mendelejev en 1880, la ideo de la ekzisto de du kontraŭaj fluo reĝimoj estis esprimita. Por pli da detaloj en tiu temo ekzamenis la brita fizikisto kaj inĝeniero Osborne Reynolds kiu kompletigis la studon en 1883. Unue, preskaŭ, kaj poste uzante formuloj oni trovis, ke je malalta fluo indico de likva transporto fariĝas laminar formo: manteloj (partikla fluo) estas preskaŭ ne miksi kaj movi kune paralelajn vojojn. Tamen, post venki certa kritika valoro (por malsamaj kondiĉoj estas malsamaj), la titolo numero de Reynolds likva fluo kondiĉoj ŝanĝiĝis: la jeto fluo iĝas kaosa vortico - tio estas:, turbulentas. Kiel ĝi rezultis, tiuj parametroj estas iugrade imanenta kaj gasoj.

Praktika angla sciencisto kalkuloj montris, ke la konduto de, ekz-e, akvo, estas tre dependa de la formo kaj dimensioj de la tanko (tuboj, kanaloj, kapilaroj, ktp), en kiuj fluas. En pipoj havanta cirkla sekco (kiel uzata por kreskanta premo muzikis), lia numero de Reynolds - la formulo de la kritika stato estas priskribita jene: Re = 2300. Por malfermi la fluon kanalo de la numero de Reynolds estas malsama: Re = 900. Por pli malgrandaj valoroj de Re estas ordigita, ĝenerale - kaosa.

fluo laminar

Kontraste fluo laminar turbulenta estas la naturo kaj direkto de akvo (gaso) fluas. Ili movi la tavoloj sen miksi kaj sen pulsbatoj. Alivorte, la movado okazas unuforme sen errático saltoj en la premo direkto kaj rapido.

Laminar fluida fluo estas formita, ekzemple, en mallarĝaj angioj de vivantaĵoj, la plantoj kapilaroj kaj sub komparebla kondiĉoj, je fluon de tre viskozaj likvaĵoj (karburaĵo oleo tra la dukto). Visualizar la jeto fluo estas sufiĉa riveli iom krano - akvo fluos kviete, egale, sen miksi. Se desatornillar la Spigot al la fino, la sistemo premo altiĝos kaj la fluo fariĝos ĥaosa.

turbula fluo

Kontraste laminar, kiu apudajn partikloj movi kune substance paralelajn vojojn, turbulenta fluo de fluido estas malorda naturo. Se ni uzas la Lagrange alproksimiĝo, la trajektorioj de la eroj povas arbitre koincidas kaj konduti tute impredeciblemente. Movado de likvaj kaj gasoj sub tiuj kondiĉoj estas ĉiam pasema, kun ĉi tiuj parametroj nonstationarities povas havi tre larĝa gamo.

Kiel la laminar gaso fluas en turbula reĝimo procedas, povas esti monitorita per la ekzemplo bukletoj de fumo de brulantaj cigaredon en ankoraŭ aero. Komence, la partikloj movi preskaŭ paralelajn vojojn neŝanĝita ĝustatempe. Fumo ŝajnas fiksita. Tiam en iu momento subite estas granda kirloj kiuj movas tute hazarde. Tiuj vorticoj rompi supren en pli malgrandaj - en eĉ pli malgranda kaj tiel plu. En la fino, preskaŭ fumi miksaĵojn kun la ĉirkaŭa aero.

turbulado ciklojn

La supra ekzemplo estas lernolibro, kaj de liaj observoj sciencistoj faris la jenan konkludoj:

1. Laminar kaj turbulenta fluo estas probablecaj en naturo: la transiro de unu maniero al alia ne estas en precize la ĝusta loko, kaj en sufiĉe arbitra, hazarda loko.
2. Unue, estas granda vorticoj kiuj estas pli grandaj ol la grandeco de bukletoj de fumo. Movado fariĝas malfirmajn kaj forte neizotropa. Grandaj fluas iĝi malstabila kaj rompi supren en pli kaj pli malgranda. Tiel, ekzistas hierarkio de kirloj. La energio de movado estas transferido de granda por malgranda, kaj fine de tiu procezo malaperas - energio disipado okazas ĉe malgranda pesilo.
3. Turbulenta fluo estas errático: apartan vortico povas esti en tute hazarda, neantaŭvidebla loko.
4. Miksante fumo kun ĉirkaŭa aero ne okazas sub fluo laminar, kaj en turbula - estas tre intensaj.
5. Malgraŭ tio, ke la randaj kondiĉoj estas oficejaĵaro, la turbulado mem havas prononcita pasema en naturo - ĉiuj gaso-dinamika parametroj ŝanĝas super tempo.

Ekzistas alia grava propraĵo de turbulado: estas ĉiam tridimensia. Eĉ se oni konsideras unu-dimensia fluo en la tubo aŭ dudimensia limo tavolo ankoraŭ moviĝo de turbula kirloj okazas en la direktoj de la tri koordinataj aksoj.

Reynolds numero: la formulo

La transiro de lamena al turbulado karakterizita de la tiel nomata kritika Reynolds numero:

_{Re cr = (ρuL / μ)} cr,

kie ρ - denseco rivereto, u - fluo indico karakterizaj; L - fluas karakteriza grandeco, μ - la koeficiento de dinamika viskozeco, cr - por por tubo kun cirkla sekco.

Ekzemple, dum fluo kun rapido u en la pipo L estas uzata kiel la pipo diametro. Osborne Reynolds montris, ke en ĉi tiu kazo, 2300 cr <20000. La disvastiĝo estas tre granda, preskaŭ ordo de grando.

Simila rezulto akiras en kastras al ŝi limon sur la flanon. La karakteriza grandeco estas prenita kiel la distanco de la antaŭa rando de la telero, kaj poste: 3 × 10 ⁵ cr <4 × 10 ^4. Se L estas difinita kiel la dikeco de la limo tavolo, la 2700 cr <9000. Ekzistas eksperimentaj studoj kiuj montris, ke la valoro de Re _cr Eble eĉ pli granda.

La koncepto de rapido perturbo

La laminar kaj turbulento fluida fluo, kaj laŭe, la kritika valoro de la numero de Reynolds (Re) dependas de granda kvanto de faktoroj. De la gradiente de premo, la alteco de altibajos krudaĵojn, turbulado intenseco en la ekstera fluo, diferencialaj temperaturo, ktp Por komforto, tiuj entuta faktoroj nomiĝas perturbo rapido de kiam ili havas certan influon en la fluo indico. Se ĉi tiu perturbo estas malgranda, ĝi povas esti solvita viskoza fortoj serĉante vicigi la rapida kampo. Por grandaj perturboj de la fluo povas iĝi malstabila kaj turbulado okazas.

Donita ke la fizika signifo de la numero de Reynolds - la rilatumo de inercia fortoj kaj viskozaj fortoj, rankoro fluas kovrita de la formulo:

Re = ρuL / μ = ρu ² / (μ × (u / L )).

La numeratoro estas dufoje la rapido kapo kaj la denominatoro - la valoro estas de la ordo de la frotado streso, se L estas prenita kiel la dikeco de la limo tavolo. Dinamika premo emas detrui la ekvilibro kaj frikcio fortoj kontraŭas tion. Tamen, ne estas certe kial la fortoj de inercio (aŭ rapideco premo) kondukas al ŝanĝoj nur kiam ili estas 1000 fojoj pli viskozaj fortoj.

Kalkuloj kaj faktoj

Probable, pli oportune uzi kiel karakteriza rapido Re _Cr ne absoluta fluo rapido u, kaj la rapido perturbo. En ĉi tiu kazo, la kritika Reynolds nombro estos ĉirkaŭ 10, tio estas: al la sobrepasar la dinamika premo perturbo viskoza streĉoj super 5 fojoj la fluo laminar en turbulenta fluido fluas. Tiu difino Re laŭ iuj sciencistoj estas bone klarigita de la jenaj eksperimente pruvita faktojn.

Por perfekte konstanta rapido profilon iun perfekte glata surfaco estas tradicie difinita per la kvanto Re _cr strebas al malfinio, tio estas, la transiro vere okazas al turbulado. Ĉi tie la numero de Reynolds estas determinita de la grandeco de la perturbo rapido sub la kritika valoro, kiu estas egala al 10.

En la ĉeesto de artefaritaj turbulado, kaŭzante plaŭdo rapideco komparebla kun la baza kurzo, la fluo iĝas turbula ĉe multe pli malalta Reynolds nombroj ol Re _cr, decidita de la absoluta valoro de la rapido. Tio ebligas la uzon de la koeficiento Re _cr = 10, kie la karakteriza rapido estas la absoluta valoro de la rapido perturbo kaŭzita de la pli supre kialoj.

Stabileco de la fluo laminar reĝimo en la dukto

La laminar kaj turbulenta fluo estas komuna al ĉiuj tipoj de likvaj kaj gasoj sub diversaj kondiĉoj. La laminar naturon de la fluo estas raraj kaj estas karakterizitaj, ekzemple, por mallarĝaj subteraj fluoj ebenaĵoj. Multe pli, ĉi tiu demando estas de maltrankvilo de sciencistoj en la kunteksto de praktika apliko por transporto de dukto akvo, petrolo, gaso kaj aliaj fluaĵoj.

Q fluo laminar stabileco estas proksime rilatanta al la studo perturbis moviĝo de la ĉefa fluo. Ĝi estis trovita esti tuŝita de la tiel nomataj malgrandaj perturboj. Depende de ĉu ili kreskas aŭ velkos la tempo, la baza fluo estas konsiderita esti stabila aŭ malstabila.

Por compresibles kaj ne compresible fluidoj

Unu el la faktoroj influanta la laminar kaj turbulento fluida fluo estas ĝia compresibilidad. Tiu fluido propraĵo estas aparte grava en la studo de la stabileco de ne-senmovaj procezoj kun rapida ŝanĝo en la ĉefa fluo.

Studoj indikas ke fluo laminar de nekunpremebla fluido en la tuboj de la cilindra sekcio estas imuna al relative malgranda axisymmetric kaj ne-axisymmetric tumultoj en tempo kaj spaco.

Lastatempe, kalkuloj estas aranĝita sur la influo de perturboj sur la axisymmetric fluo rezisto en la golfo parto de la cilindra tubo kie la ĉefa fluo dependas de la du koordinatoj. La koordinata akso de la pipo estas konsiderata kiel la parametro kiu influas la rapidon profilon laŭ la radiuso de la ĉefa fluo tubo.

konkludo

Malgraŭ jarcentoj da studo, ni povas diri ke laminar kaj turbulenta fluo estas funde studita. Eksperimentaj studoj pri la mikro nivelo, levi novajn demandojn postulanta rezonis kalkulo pravigo. La naturo de esploro estas la apliko kaj uzo: la mondo miloj da kilometroj de akvo, petrolo, gaso kaj produkto. Ju pli longe la prezentita teknikajn solvojn por redukto de la turbuladoj dum transporto, des pli efika estos.