Στρωτή και τυρβώδης ροή. καθεστώτα ροής ρευστού

Μελετώντας τις ιδιότητες των υγρών και των αερίων ροή είναι πολύ σημαντικό για τη βιομηχανία και τις δημόσιες επιχειρήσεις κοινής ωφέλειας. Η στρωτή και τυρβώδη ροή επίδραση επί του ρυθμού μεταφοράς νερού, πετρελαίου, αγωγοί φυσικού αερίου για διάφορους σκοπούς, επηρεάζει τις άλλες παραμέτρους. Αυτά τα προβλήματα κάνουν την επιστήμη υδροδυναμική.

ταξινόμηση

Στο επιστημονικό περιβάλλον των καθεστώτων και των αερίων ρευστών ροής χωρίζονται σε δύο πολύ διακριτές κατηγορίες:

• στρωτής (inkjet)?
• ταραγμένη.

Επίσης διακρίνει μεταβατικό στάδιο. Παρεμπιπτόντως, ο όρος «υγρό» έχει μια ευρεία έννοια: μπορεί να είναι ασυμπίεστο (υγρό στην πραγματικότητα είναι), ένα συμπιέσιμο (αέριο), αγώγιμα, κλπ ...

ιατρικό ιστορικό ασθενούς

Μια άλλη Μεντελέγιεφ το 1880 η ιδέα της ύπαρξης των δύο απέναντι καθεστώτων ροής εκφράστηκε. Για περισσότερες λεπτομέρειες σχετικά με το θέμα αυτό εξετάστηκε η Βρετανός φυσικός και μηχανικός Osborne Reynolds που ολοκλήρωσαν τη μελέτη το 1883. Πρώτον, πρακτικά, και στη συνέχεια, χρησιμοποιώντας τους τύπους που διαπιστωθεί ότι σε χαμηλό ρυθμό ροής μεταφοράς υγρού γίνεται μορφή στρωτής: στρώματα (ροή σωματιδίου) είναι σχεδόν δεν αναμειγνύεται και κινούνται κατά μήκος παράλληλων διαδρομών. Ωστόσο, μετά την υπέρβαση μία ορισμένη κρίσιμη τιμή (για διαφορετικές συνθήκες είναι διαφορετικό), οι συνθήκες ροής του υγρού του τίτλου αριθμού Reynolds άλλαξε: η ροή πίδακα γίνεται χαοτική δίνη - δηλ, τυρβώδης. Όπως αποδείχθηκε, αυτές οι παράμετροι είναι σε κάποιο βαθμό εγγενούς και αέρια.

Πρακτικές Αγγλικά υπολογισμοί επιστήμονας έδειξε ότι η συμπεριφορά του, π.χ., το νερό, εξαρτάται από το σχήμα και τις διαστάσεις της δεξαμενής (σωλήνες, κανάλια, τριχοειδή αγγεία, κλπ), στην οποία ρέει πολύ. Σε σωλήνες που έχουν μία κυκλική διατομή (όπως χρησιμοποιείται για την τοποθέτηση σωληνώσεων πίεσης), τον αριθμό του Reynolds - ο τύπος του κρίσιμη κατάσταση περιγράφεται ως εξής: Re = 2300. Προκειμένου να ανοίξει το κανάλι ροής του αριθμού Reynolds είναι διαφορετική: Re = 900. Για μικρότερες τιμές για το Re είναι παραγγελθεί, γενικότερα - χαοτική.

στρωτή ροή

Σε αντίθεση με μια τυρβώδη στρωτή ροή είναι η φύση και η κατεύθυνση του νερού (αέριο) ρέει. Κινούνται τα στρώματα χωρίς την ανάμιξη και χωρίς παλμούς. Με άλλα λόγια, η κίνηση λαμβάνει χώρα ομοιόμορφα χωρίς ακανόνιστη άλματα προς την κατεύθυνση της πίεσης και της ταχύτητας.

Στρωτή ροή του ρευστού σχηματίζεται, για παράδειγμα, σε στενά αιμοφόρα αγγεία των έμβιων όντων, τα τριχοειδή φυτά και υπό συγκρίσιμες συνθήκες, σε ένα ρεύμα πολύ ιξώδη υγρά (μαζούτ μέσω του αγωγού). Για την οπτικοποίηση της ροής πίδακα είναι επαρκής για να αποκαλύψει μια μικρή βρύση - νερό θα ρέει ήσυχα, ομοιόμορφα, χωρίς ανάμιξη. Αν ξεβιδώστε την τάπα στο τέλος, η πίεση του συστήματος θα αυξηθεί και η ροή θα γίνει χαοτική.

τυρβώδης ροή

Σε αντίθεση με ένα στρωτή, όπου γειτονικές σωματίδια κινούνται κατά μήκος ουσιαστικά παράλληλες διαδρομές, μια στροβιλώδη ροή του ρευστού είναι διαταραγμένη φύση. Αν χρησιμοποιήσουμε την προσέγγιση Lagrange, οι τροχιές των σωματιδίων μπορεί αυθαίρετα να επικαλύπτονται και να συμπεριφέρονται αρκετά απρόβλεπτα. Η κίνηση των υγρών και των αερίων κάτω από αυτές τις συνθήκες είναι πάντα παροδική, με αυτές τις παραμέτρους nonstationarities μπορεί να έχει ένα πολύ ευρύ φάσμα.

Καθώς η ροή αερίου στρωτή σε τυρβώδη προχωρά καθεστώς, μπορεί να παρακολουθηθεί από το παράδειγμα τούφες καπνού της φλεγόμενο τσιγάρο σε ακίνητο αέρα. Αρχικά, τα σωματίδια κινούνται σχεδόν παράλληλα μονοπάτια αμετάβλητο στο χρόνο. Ο καπνός φαίνεται σταθερή. Στη συνέχεια, κάποια στιγμή ξαφνικά υπάρχουν μεγάλες δίνες που κινούνται εντελώς τυχαία. Αυτές οι δίνες διασπώνται σε μικρότερα - σε ακόμη μικρότερες και ούτω καθεξής. Στο τέλος, ουσιαστικά καπνίζουν μείγματα με τον περιβάλλοντα αέρα.

κύκλους στροβιλισμού

Το παραπάνω παράδειγμα είναι ένα βιβλίο, και από τις παρατηρήσεις του, οι επιστήμονες έχουν σημειώσει τα ακόλουθα συμπεράσματα:

1. Στρωτή και τυρβώδης ροή είναι πιθανολογική φύση: η μετάβαση από τη μια κατάσταση στην άλλη δεν είναι ακριβώς το σωστό μέρος και σε ένα αρκετά αυθαίρετη, τυχαία θέση.
2. Πρώτον, υπάρχουν μεγάλες δίνες που είναι μεγαλύτερο από το μέγεθος της τούφες καπνού. Η κίνηση γίνεται ασταθής και έντονα ανισότροπο. Οι μεγάλες ροές γίνονται ασταθή και διασπώνται σε μικρότερα και μικρότερα. Έτσι, υπάρχει μια ιεραρχία των δινών. Η ενέργεια της κίνησης μεταφέρεται από μεγάλες σε μικρές, και στο τέλος αυτής της διαδικασίας θα εξαφανιστεί - διάχυση της ενέργειας γίνεται σε μικρές κλίμακες.
3. Η τυρβώδης ροή είναι ασταθής: μια συγκεκριμένη δίνης μπορεί να είναι σε μια εντελώς τυχαία, απρόβλεπτη θέση.
4. Ανάμιξη καπνού με ατμοσφαιρικό αέρα δεν λαμβάνει χώρα υπό στρωτή ροή, και σε τυρβώδη - είναι πολύ εντατική.
5. Παρά το γεγονός ότι οι συνοριακές συνθήκες είναι σταθερές, η ίδια η αναταραχή έχει μια έντονη παροδικής φύσεως - όλες οι παράμετροι του φυσικού αερίου, δυναμική αλλάζουν με την πάροδο του χρόνου.

Υπάρχει και μια άλλη σημαντική ιδιότητα της αναταραχής: είναι πάντα τρισδιάστατο. Ακόμα και αν θεωρήσουμε μονοδιάστατη ροή στο σωλήνα ή δύο διαστάσεων οριακό στρώμα ακόμα κίνηση της ταραχώδους δίνες συμβαίνουν στις κατευθύνσεις των τριών άξονες συντεταγμένων.

αριθμός Reynolds: ο τύπος

Η μετάβαση από στρωτή σε αναταράξεις που χαρακτηρίζεται από το λεγόμενο κρίσιμος αριθμός Reynolds:

_{Re CR = (/ μ ρuL)} cr,

όπου ρ - ρεύμα πυκνότητας, u - ποσοστό ροής χαρακτηριστικό? L - ροή χαρακτηριστικό μέγεθος, μ - τον συντελεστή του δυναμικού ιξώδους, CR - από ένα σωλήνα με κυκλική διατομή.

Για παράδειγμα, για μια ροή με u ταχύτητα μέσα στο σωλήνα L χρησιμοποιείται σαν την διάμετρο του σωλήνα. Osborne Reynolds έδειξε ότι στην περίπτωση αυτή, 2300 cr <20000. Η διαφορά είναι πολύ μεγάλη, σχεδόν μια τάξη μεγέθους.

Ένα παρόμοιο αποτέλεσμα λαμβάνεται στο οριακό στρώμα επί της βάφρας. Το χαρακτηριστικό μέγεθος λαμβάνεται ως η απόσταση από την εμπρόσθια ακμή της πλάκας, και στη συνέχεια: 3 × 10 ⁵ cr <4 × 10 ^4. Εάν το L ορίζεται όπως το πάχος του οριακού στρώματος, το 2700 cr <9000. Υπάρχουν πειραματικές μελέτες που έχουν δείξει ότι η αξία των Re _cr μπορεί να είναι ακόμη μεγαλύτερη.

Η έννοια της διαταραχής ταχύτητας

Η στρωτή και τυρβώδους ροής ρευστού, και κατά συνέπεια, η κρίσιμη τιμή του αριθμού Reynolds (Re) εξαρτάται από ένα μεγάλο αριθμό παραγόντων. Από την κλίση πίεσης, το ύψος των εξογκωμάτων τραχύτητας, ένταση τύρβης στην εξωτερική ροή, διαφορικής θερμοκρασίας, κλπ Για λόγους ευκολίας, αυτοί οι συσσωμάτωμα παραγόντων που ονομάζονται ταχύτητα διαταραχής δεδομένου ότι έχουν κάποια επίδραση στην ταχύτητα ροής. Εάν αυτή η διαταραχή είναι μικρό, μπορεί να διευθετηθεί παχύρρευστο δυνάμεις που επιδιώκουν να ευθυγραμμίσουν το πεδίο ταχύτητας. Για τις μεγάλες διαταραχές της ροής μπορεί να γίνει ασταθές, και αναταράξεις συμβαίνει.

Δεδομένου ότι η φυσική σημασία του αριθμού Reynolds - ο λόγος των αδρανειακών δυνάμεων και ιξωδών δυνάμεων, δυσαρέσκεια ροές που καλύπτονται από τον τύπο:

Re = ρuL / μ = ρu ² / (μ × (U / L )).

Ο αριθμητής είναι διπλάσιο από το κεφάλι ταχύτητα και ο παρονομαστής - η τιμή είναι της τάξης του τριβής στρες, αν η L λαμβάνεται ως το πάχος του οριακού στρώματος. Δυναμική πίεση τείνει να καταστρέψει την ισορροπία και την τριβή δυνάμεις αντιτίθενται σε αυτό. Ωστόσο, δεν είναι σαφές γιατί οι δυνάμεις της αδράνειας (ή πίεση ταχύτητα) οδηγούν σε αλλαγές μόνο όταν είναι 1000 φορές πιο παχύρρευστο δυνάμεις.

Υπολογισμοί και γεγονότα

Πιθανώς, πιο βολικά να χρησιμοποιηθεί ως ένα χαρακτηριστικό ταχύτητα Re δεν _CR απόλυτη ταχύτητα ροής u, και η διατάραξη ταχύτητα. Σε αυτήν την περίπτωση, ο κρίσιμος αριθμός Reynolds θα είναι περίπου 10, δηλαδή όταν υπερβαίνει τις δυναμικές διαταραχή πίεσης παχύρρευστο καταπονήσεις πάνω από 5 φορές την στρωτή ροή σε μια στροβιλώδη ρευστό ρέει. Ο ορισμός αυτός Re σύμφωνα με ορισμένους επιστήμονες είναι καλά εξηγείται από τα παρακάτω πειραματικά αποδεδειγμένα γεγονότα.

Για ένα απόλυτα ομοιόμορφο προφίλ ταχύτητας σε μια τελείως λεία επιφάνεια είναι παραδοσιακά προσδιορίζεται από τον αριθμό Re _cr τείνει στο άπειρο, δηλαδή, η μετάβαση λαμβάνει χώρα στην πραγματικότητα σε αναταράξεις. Εδώ ο αριθμός Reynolds προσδιορίζεται από το μέγεθος της ταχύτητας διαταραχής κάτω από την κρίσιμη τιμή, η οποία είναι ίση με 10.

Με την παρουσία των τεχνητών αναταράξεων, προκαλώντας ρυθμός βουτιά συγκρίσιμο με το βασικό ρυθμό, η ροή γίνεται τυρβώδης σε πολύ χαμηλότερες αριθμούς Reynolds από Re _cr, προσδιορίζεται από την απόλυτη τιμή της ταχύτητας. Αυτό επιτρέπει τη χρήση του συντελεστή Re _cr = 10, όπου η χαρακτηριστική ταχύτητα είναι η απόλυτη τιμή της διαταραχής ταχύτητας που προκαλούνται από τους ανωτέρω λόγους.

Σταθερότητα του καθεστώτος στρωτής ροής στον αγωγό

Η στρωτή και τυρβώδης ροή είναι κοινή σε όλους τους τύπους των υγρών και των αερίων κάτω από διάφορες συνθήκες. Η στρωτή φύση της ροής είναι σπάνιες και χαρακτηρίζονται, για παράδειγμα, για στενές πεδιάδες υπόγεια ρεύματα. Πολύ περισσότερο, αυτό το ζήτημα είναι ανησυχία των επιστημόνων στο πλαίσιο της πρακτικής εφαρμογής για τη μεταφορά από το νερό αγωγού, του πετρελαίου, του φυσικού αερίου και άλλων υγρών.

σταθερότητας στρωτή ροή Q είναι στενά συνδεδεμένη με τη μελέτη διαταραχθεί κίνηση της κύριας ροής. Διαπιστώθηκε να επηρεαστεί από τις λεγόμενες μικρές διαταραχές. Ανάλογα με το αν θα αυξηθεί ή να μαραζώσει την πάροδο του χρόνου, η βασική ροή θεωρείται ότι είναι σταθερή ή ασταθής.

Για συμπιέσιμο και όχι συμπιέσιμα ρευστά

Ένας από τους παράγοντες που επηρεάζουν την στρωτή και τυρβώδη ροή ρευστού είναι συμπιεστότητας του. Αυτή η ιδιότητα του ρευστού είναι ιδιαίτερα σημαντικό στη μελέτη της σταθερότητας των μη στάσιμων διεργασιών με την ταχεία αλλαγή της πρωτεύοντος ρεύματος.

Οι μελέτες δείχνουν ότι στρωτή ροή ενός ασυμπίεστο ρευστό στους σωλήνες του κυλινδρικού τμήματος είναι ανθεκτική σε σχετικά μικρό αξονοσυμμετρικά και χωρίς αξονομετρική συμμετρία διαταραχές στο χρόνο και στο χώρο.

Πρόσφατα, πραγματοποιούνται υπολογισμοί για την επίδραση των διαταραχών στην αντίσταση ροής αξονοσυμμετρικά στο τμήμα εισόδου του κυλινδρικού σωλήνα όπου η κύρια τρέχουσα εξαρτάται από τις δύο συντεταγμένες. Ο άξονας συντεταγμένων του σωλήνα θεωρείται ως η παράμετρος που επηρεάζει το προφίλ της ταχύτητας κατά μήκος της ακτίνας του κύριου σωλήνα ροής.

συμπέρασμα

Παρά αιώνες της μελέτης, δεν μπορούμε να πούμε ότι η στρωτή και τυρβώδης ροή είναι καλά μελετηθεί. Πειραματικές μελέτες σε μικροοικονομικό επίπεδο, εγείρουν νέα ζητήματα που απαιτούν μια τεκμηριωμένη αιτιολόγηση υπολογισμό. Η φύση της έρευνας είναι η εφαρμογή και χρήση: χιλιάδες του κόσμου χιλιόμετρα του νερού, πετρελαίου, φυσικού αερίου και προϊόντων. Όσο μεγαλύτερη είναι η εισήγαγε τεχνικές λύσεις για τη μείωση των αναταράξεων κατά τη μεταφορά, η πιο αποτελεσματική θα είναι.