Lamina dan aliran gelora. rejim aliran bendalir

Mengkaji sifat-sifat cecair dan gas aliran adalah sangat penting bagi industri dan kemudahan awam. Lamina dan kesan aliran gelora pada kadar pengangkutan air, minyak, saluran paip gas asli untuk pelbagai tujuan, memberi kesan kepada parameter lain. Masalah-masalah ini melakukan hidrodinamik sains.

klasifikasi

Dalam persekitaran saintifik regim aliran cecair dan gas dibahagikan kepada dua kelas yang berbeza:

• laminar (inkjet);
• bergelora.

Juga membezakan peringkat peralihan. Secara kebetulan, istilah "cair" membawa maksud yang luas: ia boleh menjadi tidak boleh mampat (cecair sebenarnya), sebuah mampat (gas), konduktif, dan lain-lain ...

sejarah kes

Satu lagi Mendeleev pada tahun 1880, idea kewujudan dua rejim aliran bertentangan dinyatakan. Untuk maklumat lanjut mengenai isu ini diperiksa ahli fizik British dan jurutera Osborne Reynolds yang menamatkan pengajian pada tahun 1883. Pertama, praktikal, dan kemudian menggunakan formula didapati bahawa pada kadar aliran yang rendah pengangkutan cecair menjadi bentuk laminar: lapisan (aliran zarah) hampir tidak bercampur dan bergerak di sepanjang laluan selari. Walau bagaimanapun, selepas mengatasi nilai kritikal tertentu (untuk keadaan yang berbeza adalah berbeza), keadaan aliran cecair tajuk nombor Reynolds ditukar: aliran jet menjadi vortex huru-hara - iaitu, bergelora. Seperti yang ternyata, parameter ini adalah sedikit sebanyak yang wujud dan gas.

Praktikal pengiraan ahli sains Inggeris menunjukkan bahawa tingkah laku, misalnya, air, amat bergantung kepada bentuk dan dimensi tangki (paip, saluran, kapilari, dan lain-lain), di mana ia mengalir. Dalam paip mempunyai keratan rentas bulat (seperti digunakan untuk pemasangan paip tekanan), nombor Reynolds yang - formula daripada keadaan kritikal digambarkan seperti berikut: Re = 2300. Untuk membuka saluran aliran nombor Reynolds adalah berbeza: Re = 900. Untuk nilai yang lebih kecil untuk Re diperintahkan, bebas - huru-hara.

aliran laminar

Tidak seperti gelora aliran laminar adalah sifat dan arah air (gas) Aliran. Mereka bergerak lapisan tanpa mencampurkan dan tanpa denyutan. Dalam erti kata lain, pergerakan berlaku seragam tanpa lompatan tidak menentu arah tekanan dan kelajuan.

aliran bendalir Laminar terbentuk, sebagai contoh, dalam sempit saluran darah makhluk hidup, tumbuh-tumbuhan kapilari dan di bawah keadaan yang setanding, pada arus cecair yang sangat likat (minyak bahan api melalui paip). Untuk menggambarkan aliran jet adalah mencukupi untuk mendedahkan paip sedikit - air akan mengalir secara senyap-senyap, sama rata, tanpa pergaulan. Jika longgarkan spigot hingga akhir, tekanan sistem akan meningkat dan aliran akan menjadi huru-hara.

aliran gelora

Tidak seperti lamina, di mana zarah jiran bergerak di sepanjang laluan dengan ketara selari, aliran bergelora cecair adalah sifat bercelaru. Jika kita menggunakan pendekatan Lagrange itu, trajektori zarah sewenang-wenangnya boleh bertindih dan berkelakuan agak diduga. Pergerakan cecair dan gas di bawah syarat-syarat ini sentiasa fana, dengan parameter ini nonstationarities boleh mempunyai pelbagai yang sangat luas.

Sebagai aliran gas laminar ke dalam hasil rejim bergelora, boleh dipantau oleh contoh wisps asap rokok terbakar dalam udara masih. Pada mulanya, zarah bergerak laluan hampir selari tidak berubah dalam masa. Asap seolah-olah tetap. Kemudian pada satu ketika tiba-tiba terdapat pusaran besar yang bergerak sepenuhnya secara rawak. Ini pusaran memecahkan kepada yang lebih kecil - menjadi lebih kecil dan sebagainya. Akhirnya, hampir merokok campuran dengan udara sekeliling.

kitaran pergolakan

Contoh di atas adalah buku teks, dan dari pemerhatian beliau saintis telah membuat kesimpulan berikut:

1. Laminar dan aliran gelora adalah kebarangkalian di dalam alam semula jadi: peralihan dari satu mod yang lain tidak betul-betul tempat yang betul, dan dengan agak sewenang-wenangnya, lokasi rawak.
2. Pertama, terdapat pusaran besar yang lebih besar daripada saiz wisps asap. Pergerakan menjadi tak mantap dan kuat anisotropic. aliran besar menjadi tidak stabil dan berpecah kepada lebih kecil dan lebih kecil. Oleh itu, terdapat hierarki pusaran. Tenaga pergerakan dipindahkan dari besar ke kecil, dan pada akhir proses ini hilang - pelesapan tenaga berlaku pada skala yang kecil.
3. aliran gelora adalah tidak menentu: pusaran tertentu boleh di tempat yang sama sekali tidak dapat diramalkan secara rawak.
4. Mencampurkan asap dengan udara ambien tidak berlaku di bawah aliran lamina, dan dalam bergelora - adalah sangat intensif.
5. Walaupun pada hakikatnya keadaan sempadan adalah pegun, pergolakan itu sendiri mempunyai fana ketara dalam alam semula jadi - semua parameter gas-dinamik berubah mengikut masa.

Terdapat satu lagi sifat penting pergolakan: ia sentiasa tiga dimensi. Walaupun kami mengambil kira aliran satu dimensi dalam paip atau lapisan sempadan dua dimensi masih gerakan pusaran gelora berlaku dalam arahan tiga paksi koordinat.

nombor Reynolds: formula

Peralihan dari laminar pergolakan dicirikan oleh nombor Reynolds kritikal yang dipanggil:

_{Re cr = (/ μ ρuL)} cr,

di mana ρ - aliran ketumpatan, u - kadar aliran ciri; L - mengalir saiz ciri, μ - pekali kelikatan dinamik, cr - oleh tiub dengan keratan rentas bulat.

Sebagai contoh, untuk aliran dengan halaju u dalam paip L digunakan sebagai diameter paip. Osborne Reynolds menunjukkan bahawa dalam kes ini, 2300 cr <20000. Virus ini adalah sangat besar, hampir suatu perintah magnitud.

Satu keputusan yang sama diperolehi dalam lapisan sempadan pada wafer. Saiz ciri diambil sebagai jarak dari tepi depan plat, dan kemudian 3 × ¹⁰ Mei cr <4 × ¹⁰ April. Jika L ditakrifkan sebagai ketebalan lapisan sempadan, 2700 cr <9000. Terdapat kajian eksperimen yang menunjukkan bahawa nilai Re _cr mungkin lebih besar.

Konsep halaju pengusikan

Lamina dan aliran bendalir bergelora, dan dengan itu, nilai kritikal nombor Reynolds (Re) bergantung kepada sebilangan besar faktor. Dari kecerunan tekanan, ketinggian lebam kekasaran, intensiti pergolakan dalam aliran luaran, suhu berbeza, dan lain-lain Untuk kemudahan, faktor-faktor agregat dipanggil halaju pengusikan kerana mereka mempunyai pengaruh tertentu ke atas kadar aliran. Jika gangguan ini adalah kecil, ia boleh diselesaikan daya likat mencari untuk menyelaraskan bidang halaju. Untuk pengusikan besar aliran boleh menjadi tidak stabil, dan pergolakan berlaku.

Memandangkan maksud fizikal nombor Reynolds - nisbah daya sifat tekun dan daya likat, kebencian aliran dilindungi oleh formula:

Re = ρuL / μ = ρu ² / (μ × (u / L )).

pengangka adalah dua kali turus halaju dan penyebut - nilai adalah perintah tekanan geseran, jika L diambil sebagai ketebalan lapisan sempadan. tekanan dinamik cenderung untuk memusnahkan kira-kira dan kuasa-kuasa geseran menentang ini. Walau bagaimanapun, ia adalah tidak jelas mengapa kuasa-kuasa inersia (atau tekanan halaju) membawa kepada perubahan hanya apabila mereka 1000 kali kuasa lebih likat.

Pengiraan dan fakta

Mungkin, lebih mudah digunakan sebagai kelajuan ciri Re tidak _cr mutlak halaju aliran u, dan usikan halaju. Dalam kes ini, nombor Reynolds genting akan kira-kira 10, iaitu apabila melebihi tekanan dinamik gangguan tekanan likat lebih 5 kali aliran laminar ke dalam aliran bendalir bergelora. Definisi ini Re menurut beberapa saintis juga dijelaskan oleh fakta-fakta yang terbukti secara eksperimen berikut.

Untuk profil halaju sempurna seragam pada permukaan yang sempurna lancar secara tradisional ditentukan oleh bilangan Re _cr cenderung untuk infiniti, iaitu, peralihan sebenarnya berlaku kepada kegawatan. Di sini bilangan Reynolds ditentukan oleh magnitud halaju pengusikan di bawah nilai kritikal, yang adalah sama dengan 10.

Di hadapan pergolakan tiruan, menyebabkan kadar percikan setanding dengan kadar asas, aliran menjadi lebih rendah di nombor Reynolds bergelora daripada Re _cr, ditentukan daripada nilai mutlak kelajuan. Ini membolehkan penggunaan pekali Re _cr = 10, di mana halaju ciri adalah nilai mutlak usikan halaju yang disebabkan oleh sebab-sebab di atas.

Kestabilan rejim aliran laminar dalam perancangan

The laminar dan aliran gelora adalah perkara biasa untuk semua jenis cecair dan gas dalam pelbagai keadaan. Sifat laminar aliran jarang berlaku dan mempunyai ciri-ciri, sebagai contoh, untuk sempit sungai bawah tanah dataran. Banyak lagi, isu ini menjadi perhatian ahli-ahli sains dalam konteks aplikasi praktikal untuk pengangkutan oleh air paip, minyak, gas dan cecair lain.

Q kestabilan aliran laminar berkait rapat dengan kajian terganggu gerakan aliran utama. Ia didapati dipengaruhi oleh pengusikan dipanggil kecil. Bergantung kepada sama ada mereka membesar atau beransur-ansur hilang dari masa ke masa, aliran asas dianggap sebagai stabil atau tidak stabil.

Untuk cecair mampat dan tidak mampat

Salah satu faktor yang mempengaruhi laminar dan aliran bendalir bergelora adalah kebolehmampatan itu. Penginapan cecair adalah penting dalam kajian kestabilan proses bukan pegun dengan perubahan pesat dalam semasa sekolah rendah.

Kajian menunjukkan bahawa aliran laminar bendalir tak boleh mampat dalam tiub seksyen silinder tahan paksi simetri dan tidak simetri sepaksi gangguan yang agak kecil dalam masa dan ruang.

Baru-baru ini, pengiraan dijalankan mengenai pengaruh gangguan pada rintangan aliran paksi simetri di bahagian salur masuk tiub silinder di mana semasa utama adalah bergantung kepada kedua-dua koordinat. Koordinat paksi paip dianggap sebagai parameter yang memberi kesan kepada profil halaju di sepanjang jejari paip aliran utama.

kesimpulan

Walaupun abad pengajian, kita tidak boleh mengatakan bahawa lamina dan gelora aliran dikaji dengan teliti. kajian eksperimen di peringkat mikro, membangkitkan isu-isu baru yang memerlukan pengiraan justifikasi alasan. Sifat penyelidikan adalah permohonan dan penggunaan: beribu-ribu di dunia kilometer dari air, minyak, gas dan produk. Penyelesaian teknikal lagi diperkenalkan untuk mengurangkan pergolakan semasa pengangkutan, yang lebih berkesan ia akan menjadi.