Laminaire en turbulente stroming. fluïdumstroming regimes

Het bestuderen van de eigenschappen van vloeistoffen en gassen flow is erg belangrijk voor de industrie en de openbare nutsbedrijven. De laminaire en turbulente stroming effect op het water transportsnelheid, aardolie, aardgas pijpleidingen voor verschillende doeleinden, beïnvloedt de andere parameters. Deze problemen doen wetenschap hydrodynamica.

classificatie

In de wetenschappelijke omgeving van fluïdumstroming regimes en gassen zijn onderverdeeld in twee zeer verschillende klassen:

• laminaire (inkjet);
• turbulent.

Verder onderscheiden overgangsfase. Overigens wordt met "vloeistof" een ruime betekenis: het kan zijn onsamendrukbare (vloeistof eigenlijk), een samendrukbaar (gas), geleidende, etc ...

anamnese

Een andere Mendelejev in 1880 het idee van het bestaan van twee tegengestelde stroom regimes werd uitgedrukt. Voor meer details over dit onderwerp onderzocht de Britse natuurkundige en ingenieur Osborne Reynolds die de studie in 1883 voltooid. Eerst, praktisch, en vervolgens met behulp van formules blijkt dat bij een lage stroomsnelheid van vloeistoftransport laminair formulier lagen (deeltjesstroom) vrijwel niet mengen en bewegen langs evenwijdige banen. Echter, na het overwinnen van een bepaalde kritische waarde (verschillende omstandigheden niet gelijk), de titel Reynoldsgetal vloeistof stromingsomstandigheden worden gewijzigd: de straalstroom chaotisch vortex - d.w.z. turbulent. Zoals later bleek, deze parameters enigszins inherente en gassen.

Praktische Engels wetenschapper berekeningen gebleken dat het gedrag van, bijvoorbeeld water, is sterk afhankelijk van de vorm en afmetingen van de tank (pijpen, kanalen, haarvaten, etc.), waarin het stroomt. - in pijpen met een cirkelvormige dwarsdoorsnede (zoals gebruikt voor het monteren drukleidingen) het Reynoldsgetal de formule van de kritieke situatie Re = 2300. Om het stromingskanaal van openen als volgt beschreven het Reynoldsgetal anders: Re = 900. Voor kleine waarden van Re is gelast, in het algemeen - chaotisch.

laminaire stroming

In tegenstelling tot een laminaire stroming turbulent is de aard en de richting van het water (gas) stroomt. Ze bewegen de lagen zonder het te mengen en zonder pulsaties. Met andere woorden, de beweging plaatsvindt uniform zonder onregelmatige sprongen in de persrichting en snelheid.

Laminaire fluïdumstroom wordt gevormd, bijvoorbeeld in kleine bloedvaten van levende wezens, planten haarvaten en onder vergelijkbare omstandigheden, bij een stroom van zeer viskeuze vloeistoffen (stookolie door de pijpleiding). De straalstroom visualiseren volstaat om een kraantje onthullen - water rustig stroomt gelijkmatig, zonder menging. Indien draai de spie Uiteindelijk zal de systeemdruk stijgt en de stroom zal chaotisch.

turbulente stroming

In tegenstelling tot een laminaire, waarbij naburige deeltjes bewegen langs in hoofdzaak evenwijdige banen, een turbulente stroming van fluïdum wanordelijke natuur. Als we de Lagrange aanpak te gebruiken, kan de banen van de deeltjes willekeurig overlappen en gedragen zich nogal onvoorspelbaar. De beweging van vloeistoffen en gassen onder deze omstandigheden zijn altijd van voorbijgaande aard, met deze parameters nonstationarities een zeer breed assortiment kan hebben.

Aangezien het laminaire gasstroom in turbulent regime verloopt, kan worden gevolgd door het voorbeeld slierten van rook van een brandende sigaret in stilstaande lucht. Aanvankelijk bewegen de deeltjes nagenoeg evenwijdige banen onveranderd in de tijd. Smoke lijkt vast. Dan op een bepaald moment ineens er grote wervelingen die volledig willekeurig bewegen. Deze wervels breken in kleinere - in nog kleinere en ga zo maar door. Uiteindelijk vrijwel rook mixen met de omringende lucht.

turbulentie cycli

Het bovenstaande voorbeeld is een schoolvoorbeeld, en van zijn waarnemingen wetenschappers de volgende conclusies zijn gemaakt:

1. Laminaire en turbulente stroming zijn probabilistisch van aard: de overgang van de ene modus naar de andere niet op precies de juiste plaats en in een vrij willekeurig willekeurige locatie.
2. Ten eerste zijn er grote wervels die groter zijn dan de grootte van de rookpluimen zijn. Beweging onstabiel en sterk anisotrope. Grote stromen instabiel en breken in kleinere en kleiner. Aldus is er een hiërarchie van wervelingen. De energie van beweging wordt overgebracht van groot naar klein, en aan het eind van dit proces verdwijnt - energiedissipatie optreedt op kleine schaal.
3. Turbulente stroming is onregelmatig: een bepaald vortex kan worden in een volledig willekeurige, onvoorspelbare plaats.
4. Mengen rook omgevingslucht niet plaatsvindt onder laminaire stroming te nemen en in turbulente - is zeer intensief.
5. Hoewel de randvoorwaarden stationair, de turbulentie zelf een uitgesproken voorbijgaande aard - alle gasdynamische parameters veranderen in de tijd.

Er is een andere belangrijke eigenschap van turbulentie: het is altijd driedimensionaal. Zelfs als we kijken eendimensionale stroming in de buis of tweedimensionale grenslaag bewegingsloos turbulente wervelingen optreden in de richtingen van de drie coördinaatassen.

Reynoldsgetal: de formule

De overgang van laminaire turbulentie gekenmerkt door de zogenaamde kritische Reynoldsgetal:

_{Re = cr (ρuL / μ)} cr,

waarbij ρ - dichtheid stroom, u - stroomsnelheidseigenschap; L - stroom karakteristieke afmeting, μ - de coëfficiënt van dynamische viscositeit, cr - door een buis met een cirkelvormige dwarsdoorsnede.

Bijvoorbeeld, een stroming met snelheid u in de leiding L wordt gebruikt als de buisdiameter. Osborne Reynolds toonde aan dat in dit geval, 2300 cr <20000. De spreiding is zeer groot, bijna een orde van grootte.

Een soortgelijk resultaat wordt verkregen in de grenslaag op de wafel. De karakteristieke afmeting wordt genomen als de afstand vanaf de voorrand van de plaat en vervolgens 3 x ¹⁰ Mei cr <4 x ¹⁰ april. Als L is gedefinieerd als de dikte van de grenslaag, de 2700 cr <9000. Er zijn experimentele studies die hebben aangetoond dat de waarde van Re _cr nog groter kan zijn.

Het begrip snelheid verstoring

De laminaire en turbulente fluïdumstroom, en derhalve de kritische waarde van het Reynoldsgetal (Re) afhankelijk van een groot aantal factoren. Van de drukgradiënt, de hoogte van hobbels ruwheid turbulentie-intensiteit in de externe stroom, verschiltemperatuur, etc. Gemakshalve worden deze geaggregeerde factoren verstoring snelheid genaamd aangezien zij een zekere invloed op het debiet. Als deze storing klein is, kan het worden geregeld viskeuze krachten op zoek naar het veld snelheid af te stemmen. Voor grote verstoringen van de stroming kan instabiel worden, en turbulentie optreedt.

Aangezien de fysieke betekenis van het Reynoldsgetal - de verhouding van traagheidskrachten en visceuze krachten, afkeer stromen onder de formule:

Re = ρuL / μ = ρu ² / (μ x (u / l )).

De teller is tweemaal de snelheid kop en de noemer - de waarde van de orde van de dynamische wrijving, wanneer L de dikte van de grenslaag wordt genomen. Dynamische druk neigt vernietigen balans en wrijvingskrachten dit verzetten. Het is echter onduidelijk waarom de krachten van de traagheid (of snelheid druk) leiden tot veranderingen alleen als ze 1000 keer meer viskeuze krachten.

Berekeningen en feiten

Waarschijnlijk gemakkelijker worden gebruikt als Karakteristieke Re _CR geen absolute stroomsnelheid u, en de snelheid verstoring. In dit geval zal het kritische Reynolds getal 10, dat wil zeggen bij het overschrijden van de dynamische drukverstoring viskeuze spanningen dan 5 maal de laminaire stroming tot een turbulente fluïdum. Deze definitie Re volgens sommige wetenschappers is goed te verklaren door de volgende experimenteel bewezen feiten.

Voor een perfect uniform snelheidsprofiel op een perfect glad oppervlak wordt traditioneel bepaald door het aantal Re _cr naar oneindig, d.w.z. de overgang daadwerkelijk optreedt turbulentie. Hier het Reynoldsgetal wordt bepaald door de grootte van de verstoring snelheid onder de kritische waarde, die gelijk is aan 10 is.

In aanwezigheid van kunstmatige turbulentie, waardoor splash snelheid vergelijkbaar met de basissnelheid, de stroming turbulent bij veel lagere Reynoldsgetallen dan Re _cr, bepaald door de absolute waarde van de snelheid. Dit maakt het gebruik van de coëfficiënt Re _cr = 10, waarbij de karakteristieke snelheid is de absolute waarde van de snelheid verstoring als gevolg van de bovengenoemde redenen.

Stabiliteit van het laminaire stromingsregime in de pijpleiding

De laminaire en turbulente stroming voor alle soorten vloeistoffen en gassen onder verschillende omstandigheden. De laminaire aard van de stroming zijn zeldzaam en worden gekarakteriseerd, bijvoorbeeld voor smalle ondergrondse stromen vlaktes. Veel meer, is deze kwestie van zorg van de wetenschappers in het kader van de praktische toepassing voor het transport per pijpleiding water, olie, gas en andere vloeistoffen.

Q laminaire stroming stabiliteit hangt nauw samen met de studie verstoorde beweging van de hoofdstroom. Het bleek te worden beïnvloed door de zogenaamde kleine verstoringen. Afhankelijk van het feit of ze groeien of verdwijnen na verloop van tijd, is de basis-stroom als stabiel of instabiel te zijn.

Voor samendrukbare en niet samendrukbare vloeistoffen

Een van de factoren die de laminaire en turbulente fluïdumstroming de samendrukbaarheid. Deze vloeistof eigenschap is bijzonder belangrijk voor het onderzoek naar de stabiliteit van niet-stationair met snelle veranderingen in de primaire stroom.

Studies tonen aan dat een laminaire stroming van een onsamendrukbare vloeistof in de buizen van het cilindrische deel is bestand tegen betrekkelijk kleine assymmetrische en niet-assymmetrische verstoringen in tijd en ruimte.

Recent worden berekeningen uitgevoerd op de invloed van verstoringen van het assymmetrische stromingsweerstand in het inlaatgedeelte van de cilindrische buis waarin de hoofdstroom afhangt van de twee coördinaten. De coördinaat as van de buis wordt beschouwd als de parameter die het snelheidsprofiel langs de straal van de hoofdstroom leiding beïnvloedt.

conclusie

Ondanks eeuwen van studie, kunnen we niet zeggen dat laminaire en turbulente stroming grondig bestudeerd. Experimenteel onderzoek van de micro-niveau, te verhogen naar nieuwe vraagstukken die een met redenen omkleed berekening rechtvaardiging. De aard van het onderzoek is de toepassing en het gebruik: 's werelds duizenden kilometers van water, olie, gas en product. Hoe langer de geïntroduceerde technische oplossingen voor het verminderen van turbulentie tijdens het transport, hoe effectiever het zal zijn.