למינרית זרימה טורבולנטית. משטרי זרימת נוזל

לימוד המאפיינים של זרימת נוזלים וגזים חשוב מאוד עבור התעשייה והשירותים ציבוריים. העלעלים ותוצאת זרימה טורבולנטית על שיעור תחבורת מים, שמן, צינורות גז טבעי למטרות שונות, משפיעים על פרמטרים האחרים. בעיות אלה לעשות הידרודינמיקה המדע.

סיווג

בסביבה המדעית של משטרי זרימת נוזל וגזים נחלקים לשתי כיתות נפרדות מאוד:

• עלעלים (הזרקת דיו);
• סוערים.

כמו כן להבחין שלב מעבר. אגב, המונח "נוזל" יש משמעות רחבה: זה יכול להיות דחיס (נוזל בעצם הוא) חברה לדחיסה (גז), מוליך, וכו '...

ההיסטוריה במקרה

עוד מנדלייב ב 1880, את הרעיון של הקיום של שני משטרי זרימה הפוכים הובע. לפרטים נוספים בנושא זה בחן את הפיזיקאי הבריטי ומהנדס אוסבורן ריינולדס שהשלים את המחקר בשנת 1883. ראשית, כמעט, ולאחר מכן באמצעות נוסחות נמצאה כי בקצב זרימה נמוך של תחבורת נוזל הופך טופס עלעלים: שכבות (זרימת חלקיקים) הוא כמעט לא לערבב ולעבור לאורך שבילים מקבילים. עם זאת, לאחר התגברות ערך קריטי מסוים (עבור תנאים שונים הוא שונה), תנאי כותרת ריינולדס מספר זרימת הנוזל משתנים: זרימת הסילון הופכת למערבולת כאוטי - דהיינו, סוערים. כפי שהתברר, הפרמטרים אלה הם במידה מסוימת טבועים וגזים.

חישובי מדען אנגלים מעשיים הראו כי ההתנהגות של, למשל, מים, תלויה מאוד את הצורה ואת הממדים של הטנק (צינורות, תעלות, נימים, וכו '), שבו הוא זורם. בשנת צינורות בעל חתך עגול (כגון משמש צנרת לחץ גוברת), מספר ריינולדס שלה - הנוסחא של המדינה הקריטית מתואר כדלקמן: Re = 2300. על מנת לפתוח את ערוץ הזרימה של מספר ריינולדס הוא שונה: Re = 900. עבור ערכים קטנים יותר עבור הנדון הוא הורה, רחב - כאוטי.

זרימה למינרית

בניגוד סוערים זרימה למינרית את האופי ואת הכיוון של מים (גז) זורם. הם להזיז את השכבות בלי ערבוב וללא פעימות. במילות אחרות, התנועה מתרחשת באופן אחיד ללא קפיצות יציבות בכיוון הלחץ והמהירות.

זרימת נוזל למינרית נוצרה, למשל, ב צר כלי דם של יצורי חיים, את נימי צמחים בתנאים דומים, בכל הנוכחי של נוזלים צמיגים מאוד (מזוט דרך הצינור). כדי להמחיש את זרימת הסילון מספיק כדי לחשוף טפיחה קלה - מים יזרמו בשקט, באופן שווה, ללא ערבוב. אם להתיר את הברז עד הסוף, הלחץ במערכת יעלה ואת הזרימה תהפוך כאוטי.

זרימה טורבולנטית

בניגוד למינרית, שבה חלקיקים שכנים להזיז לאורך שבילים מקבילים משמעותי, זרימה טורבולנטית של נוזל היא טבע מופרע. אם נשתמש בגישה לגראנז, מסלולי החלקיקים יכולים לחפוף באופן שרירותי מתנהגים בצורה בלתי צפוי. תנועה של נוזלים וגזים בתנאים אלה הם תמיד חולפות, עם הפרמטרים האלה nonstationarities יכול להיות מגוון מאוד רחב.

כמו זרימת הגז למינרית לתוך תמורת משטר סוערת, ניתן לנטר ידי האניצים למשל עשן של סיגריה בוערת עדיין באוויר. בתחילה, להזיז חלקיקים כמעט במקביל נתיבים ללא שינוי בזמן. עשן נראה קבוע. ואז בשלב מסוים פתאום יש מערבולות גדולות לעבור לגמרי באקראי. מערבולות אלה להיפרד למולקולות קטנות יותר - אל אפילו קטן יותר וכן הלאה. בסופו של דבר, כמעט לעשן תערובות עם האוויר שמסביב.

מחזורי מערבולת

הדוגמא לעיל היא ספר לימוד, וכן מהתצפיות שלו הצליחו מדענים למסקנות הבאות:

1. למינרית זרימה טורבולנטית הם הסתברותיים הטבע: המעבר ממצב אחד למשנהו אינו נמצא במקום הנכון בדיוק, וגם במיקום די שרירותית, אקראית.
2. ראשית, יש מערבולות גדולות שגודלם עולה על גודל של תמרות עשן. תנועה הופכת יציבה בתוקף איזוטרופי. התזרים גדול להפוך לבלתי יציב להתפרק ומצטמק. לפיכך, יש היררכיה של מערבולות. האנרגיה של תנועה מועברת מ גדולה קטן, ובסוף התהליך הזה נעלם - פיזור האנרגיה מתרחש בקני מידה קטנות.
3. זרימה טורבולנטית היא לא יציבה: מערבולת מסוימת יכולה להיות במקום אקראי, בלתי צפוי לחלוטין.
4. ערבוב עשן עם אוויר הסביבה לא יתקיים תחת זרימה למינרית, ובשנת סוערים - הוא מאוד אינטנסיבי.
5. למרות העובדה כי תנאי השפה הם נייחים, המערבולת עצמו יש חולף בולט בטבע - כל הפרמטרים-דינמי הגז להשתנות עם זמן.

יש עוד תכונה חשובה של התפרעות: הוא תמיד תלת ממדי. גם אם ניקח בחשבון את הזרימה חד ממדית בצינור או שכבת גבול דו ממדים עדיין תנועה של מערבולות סוערות להתרחש הכיוונים של השלושה הצירים לתאם.

מספר ריינולדס: הנוסחה

המעבר מן למינרית לזרימה טורבולנטית מאופיין במספר שנקרא קריטי ריינולדס:

_{Re CR = (ρuL / μ)} CR,

איפה ρ - צפיפות זרם, u - קצב הזרימה אופייני; L - לזרום גודל אופייני, μ - מקדם של צמיגות דינמית, CR - על ידי צינור עם חתך עגול.

לדוגמא, עבור זרימה עם u מהירות של L הצינור משמש קוטר הצינור. אוסבורן ריינולדס הראה כי במקרה זה, 2300 CR <20,000. הפער גדול מאוד, כמעט בסדר גודל.

תוצאה דומה מתקבלת ב- BL על פרוסות סיליקון. הגודל האופייני נלקח כמו המרחק מהקצה הקדמי של צלחת, ולאחר מכן 3 × ¹⁰ מאי CR <4 × ¹⁰ באפריל. אם L מוגדר עובי שכבת הגבול, את 2700 CR <9000. ישנם מחקרים ניסויים הראו כי שהערך של _CR הנדון עשוי להיות אף גדול יותר.

הקונספט של הפרעות מהירות

למינרית זרימת נוזל סוערת, ובהתאם לכך, הערך הקריטי של מספר ריינולדס (Re) תלויה במספר רב של גורמים. מתוך שיפוע הלחץ, גובה חספוס בליטות, עוצמת מערבולת בזרימה החיצונית, הטמפרטורה דיפרנציאלי, וכו 'להנוחיות, גורמים מצטברים אלה נקראים מהירויות הפרעות מאז להם השפעה מסוימת על קצב הזרימה. אם הפרעה זו היא קטנה, זה יכול להיות מיושב כוחות צמיגים המבקשים ליישר בתחום המהירות. עבור הפרעות גדולות של הזרימה יכולות להיות לא יציבות, והטורבולנטיות מתרחשת.

בהתחשב בכך את המשמעות הפיסית של מספר ריינולדס - היחס בין כוחות אינרציה וכוחות צמיגים, טינת תזרים מכוסית על ידי הנוסחא:

Re = ρuL / μ = ρu ² / (μ × (U / L )).

המונה הוא פעמי ראש המהירות והמכנה - הערך הוא בסדר גודל של לחץ חיכוכית, אם L נלקח כמו עובי שכבת הגבול. לחץ דינאמית נוטה להרוס את האיזון ואת כוחות החיכוך מתנגדים זו. עם זאת, לא ברור מדוע כוחות אינרציה (או לחץ ומהירות) להוביל שינויים רק כאשר הם פעמים 1000 כוחות צמיגים יותר.

חישובים ועובדות

כנראה, לשמש בצורה נוחה יותר כמו מהירות מאפיין נדון _CR אינו מוחלטת זרימת מהירות u, ואת ההפרעות המהירות. במקרה זה, מספר ריינולדס הקריטי יהיה כ 10, למשל, בעת החריגה מדגישת צמיגת הפרעת לחץ הדינמית מעל 5 פעמים את הזרימה למינרית לתוך זורם נוזל סוער. הגדרה זו Re פי כמה מדענים מוסברת היטב על ידי העובדות שהוכחו בניסוי הבא.

עבור פרופיל מהירות אחיד לחלוטין על משטח חלק לחלוטין נקבע באופן מסורתי על ידי מספר נדון _CR נוטה לאינסוף, כלומר, מעבר בפועל מתרחש לזעזוע. הנה מספר ריינולדס נקבע על ידי הגודל של מהירויות הפרעות מתחת לערך הקריטי, אשר שווה 10.

בנוכחות מערבולות מלאכותיות, גרימת Splash שיעור דומה לשיעור הבסיסי, הזרימה הופכת מספרי ריינולדס סוערים בבית נמוך בהרבה _{CR הנדון,} נקבעו מהערך המוחלט של המהירות. זה מאפשר את השימוש של המקדם Re _CR = 10, שבו המהירות האופיינית היא הערך המוחלט של ההפרעות המהירות הנגרם מהסיבות הנ"ל.

יציבות משטר הזרימה למינרית בצנרת

למינרית זרימה טורבולנטית המשותף לכל סוגי נוזלים וגזים בתנאים שונים. האופי למינרית של הזרימה הם נדירים מאופיינים, למשל, עבור מישורי זרמים תת קרקעיים צרים. הרבה יותר, סוגיה זו היא דאגה של מדענים בהקשר של יישום מעשי להובלה על ידי מים בצנרת, נפט, גז ונוזלים אחרים.

יציבות הזרימה למינרית Q קשורה קשר דוק המחקר מוטרד תנועה של הזרימה הראשית. נמצא כי תושפע הפרעות הקטנות כביכול. תלוי אם הם גדלים או להתפוגג עם הזמן, את הזרימה הבסיסית נחשבת יציבה או לא יציבה.

לקבלת נוזלים לדחיסה ולא לדחיסה

אחד הגורמים המשפיעים על למינרית זרימת נוזל סוערת הוא הדחיסה שלה. רכוש נוזל זה חשוב במיוחד במחקר של היציבות של תהליכים שאינם נייחים עם שינוי מהיר הנוכחי העיקרית.

מחקרים מצביעים על כך זרימה למינרית של נוזל דחיס בתוך הצינורות של הסעיף הגלילי היא עמידה בפני axisymmetric קטנים יחסית ולא axisymmetric הפרעות בזמן ובמרחב.

לאחרונה, חישובים שבוצעו על ההשפעה של הפרעות על התנגדות זרימת axisymmetric בחלק המפרצון של הצינור הגלילי שבו הזרם המרכזי תלוי שני הקואורדינטות. הציר לתאם של הצינור נחשב כפרמטר המשפיע על הפרופיל המהיר לאורך הרדיוס של צינור הזרימה העיקרי.

מסקנה

למרות מאות שנים של מחקר, לא נוכל לומר כי זרימה למינרית וגועש הוא למד ביסודיות. מחקרים ניסיוניים ברמת המיקרו, להעלות סוגיות חדשות הדורשות הצדקת חישוב מנומקת. האופי של המחקר הוא יישום ושימוש: אלפי בעולם של קילומטרים של מים, נפט, גז המוצר. ככל פתרונות טכניים הציג עבור הפחתת מערבולות במהלך ההובלה, יעיל יותר יהיה.