Laminar và dòng chảy hỗn loạn. chế độ dòng chảy chất lỏng

Nghiên cứu các tính chất của chất lỏng và khí dòng chảy là rất quan trọng cho ngành công nghiệp và công trình công cộng. Các lớp và ảnh hưởng dòng chảy hỗn loạn trên tỷ lệ vận chuyển nước, dầu, đường ống dẫn khí tự nhiên cho các mục đích khác nhau, ảnh hưởng đến các thông số khác. Những vấn đề này làm thủy động lực học khoa học.

phân loại

Trong môi trường khoa học của chế độ dòng chảy chất lỏng và khí được chia thành hai lớp rất khác biệt:

• laminar (phun);
• hỗn loạn.

Cũng phân biệt giai đoạn chuyển tiếp. Ngẫu nhiên, thuật ngữ "chất lỏng" có một ý nghĩa rộng: nó có thể không nén (chất lỏng thực sự là), một nén (khí), dẫn điện, vv ...

hồ sơ lịch sử

Một Mendeleev năm 1880 ý tưởng về sự tồn tại của hai chế độ dòng chảy ngược lại được thể hiện. Để biết thêm chi tiết về vấn đề này đã kiểm tra vật lý người Anh và kỹ sư Osborne Reynolds đã hoàn thành nghiên cứu vào năm 1883. Thứ nhất, thực tế, và sau đó sử dụng công thức nó được tìm thấy rằng với tốc độ dòng chảy thấp vận chuyển chất lỏng trở nên hình thức laminar: lớp (dòng hạt) gần như không pha trộn và di chuyển dọc theo con đường song song. Tuy nhiên, sau khi vượt qua một giá trị quan trọng nhất định (ví điều kiện khác nhau đó là khác nhau), các điều kiện dòng chảy chất lỏng tiêu đề số Reynolds đang thay đổi: dòng máy bay phản lực trở nên hỗn loạn xoáy - ví dụ, hỗn loạn. Khi nó bật ra, các thông số này là chừng mực nào đó vốn có và các loại khí.

Thực tế tính toán khoa học Anh cho thấy, hành vi của, ví dụ, nước, phụ thuộc nhiều vào hình dạng và kích thước của bể (đường ống, các kênh truyền hình, các mao mạch, vv), trong đó nó chảy. Trong ống có mặt cắt ngang hình tròn (ví dụ sử dụng để gắn đường ống áp lực), số Reynolds của nó - công thức của nhà nước quan trọng được mô tả như sau: Re = 2300. Để mở kênh dòng chảy của số Reynolds là khác nhau: Re = 900. Đối với giá trị nhỏ hơn cho Re được ra lệnh, nói chung - hỗn loạn.

dòng chảy laminar

Không giống như một hỗn loạn dòng chảy thành lớp là bản chất và định hướng của nước (khí) chảy. Họ di chuyển các lớp mà không trộn và không có rung động. Nói cách khác, phong trào diễn ra thống nhất mà không nhảy thất thường theo hướng áp lực và tốc độ.

dòng chảy Laminar được hình thành, ví dụ, trong hẹp mạch máu của sinh vật sống, các mao mạch thực vật và trong điều kiện so sánh, tại một hiện tại của chất lỏng rất nhớt (dầu nhiên liệu thông qua các đường ống dẫn). Để hình dung dòng máy bay phản lực là đủ để lộ một chút tap - Nước sẽ chảy lặng lẽ, đồng đều, không pha trộn. Nếu tháo vòi nước để cuối cùng, áp lực hệ thống sẽ tăng lên và dòng chảy sẽ trở nên hỗn loạn.

dòng chảy hỗn loạn

Không giống như một lớp, trong đó các hạt lân cận di chuyển dọc theo con đường song song đáng kể, một dòng chảy hỗn loạn của chất lỏng là chất bị rối loạn. Nếu chúng ta sử dụng phương pháp Lagrange, quỹ đạo của các hạt tùy tiện có thể chồng chéo lên nhau và cư xử khá thất thường. Chuyển động của chất lỏng và khí dưới những điều kiện luôn thoáng qua, với các thông số nonstationarities có thể có một phạm vi rất rộng.

Như dòng chảy khí laminar vào tiền thu được chế độ hỗn loạn, có thể được giám sát bởi làn ví dụ về khói của một điếu thuốc đang cháy trong không khí tĩnh lặng. Ban đầu, các hạt di chuyển con đường gần như song song không thay đổi trong thời gian. Khói dường như cố định. Sau đó, tại một số điểm tất cả của một đột ngột có những xoáy nước lớn mà di chuyển hoàn toàn ngẫu nhiên. Những xoáy chia tay vào những cái nhỏ hơn - vào thậm chí nhỏ hơn và như vậy. Cuối cùng, hầu như hút thuốc hỗn hợp với không khí xung quanh.

chu kỳ bất ổn

Ví dụ trên là một cuốn sách giáo khoa, và từ những quan sát của ông nhà khoa học đã thực hiện các kết luận sau:

1. Laminar và dòng chảy hỗn loạn là xác suất trong tự nhiên: sự chuyển đổi từ một chế độ khác không phải là chính xác đúng nơi, và trong một vị trí ngẫu nhiên khá tùy tiện.
2. Thứ nhất, có những xoáy lớn có dung lượng lớn hơn so với kích thước của làn khói. Phong trào trở nên không ổn định và mạnh mẽ đẳng hướng. dòng chảy lớn trở nên không ổn định và chia tay vào nhỏ hơn và nhỏ hơn. Như vậy, có một hệ thống cấp bậc của các xoáy nước. Năng lượng của phong trào được chuyển từ lớn đến nhỏ, và vào cuối của quá trình này sẽ biến mất - tản năng lượng xảy ra ở quy mô nhỏ.
3. dòng chảy hỗn loạn là thất thường: a xoáy đặc biệt có thể ở một nơi hoàn toàn ngẫu nhiên, không thể đoán trước.
4. Trộn khói với không khí xung quanh không diễn ra dưới dòng chảy thành lớp, và trong hỗn loạn - là rất tích cực.
5. Mặc dù thực tế rằng các điều kiện biên là văn phòng phẩm, các bất ổn chính nó có một thoáng rõ rệt trong tự nhiên - tất cả các thông số khí động thay đổi theo thời gian.

Có một tính chất quan trọng của bất ổn: nó luôn luôn là ba chiều. Thậm chí nếu chúng ta xem xét dòng chảy một chiều trong đường ống hoặc lớp ranh giới hai chiều vẫn chuyển động của xoáy hỗn loạn xảy ra trong các hướng dẫn của ba trục tọa độ.

số Reynolds: công thức

Việc chuyển đổi từ laminar để hỗn loạn đặc trưng bởi cái gọi là số Reynolds quan trọng:

_{Re cr = (/ μ ρuL)} cr,

nơi ρ - dòng mật độ, u - tốc độ dòng chảy đặc trưng; L - chảy kích thước đặc trưng, μ - hệ số độ nhớt năng động, cr - cho bởi một ống với mặt cắt ngang hình tròn.

Ví dụ, đối với một dòng chảy với vận tốc u trong đường ống L được sử dụng như đường kính ống. Osborne Reynolds đã chỉ ra rằng trong trường hợp này, 2300 cr <20000. Sự lây lan là rất lớn, gần như một bậc.

Một kết quả tương tự thu được trong lớp ranh giới trên wafer. Kích thước đặc trưng được thực hiện như là khoảng cách từ mép phía trước của tấm, và sau đó 3 × ¹⁰ May cr <4 × ¹⁰ Tháng Tư. Nếu L được định nghĩa là độ dày của lớp ranh giới, 2700 cr <9000. Có nhiều nghiên cứu thực nghiệm đã chỉ ra rằng giá trị của Re _cr có thể còn lớn hơn.

Khái niệm về vận tốc nhiễu loạn

Các lớp và dòng chảy hỗn loạn, và theo đó, giá trị quan trọng của số Reynolds (Re) phụ thuộc vào một số lượng lớn các yếu tố. Từ gradient áp lực, chiều cao của bướu gồ ghề, cường độ hỗn loạn trong dòng chảy bên ngoài, nhiệt độ khác biệt, vv Để thuận tiện, các yếu tố tổng hợp này được gọi là vận tốc nhiễu loạn kể từ khi họ có một ảnh hưởng nhất định trên tốc độ dòng chảy. Nếu rối loạn này là nhỏ, nó có thể được giải quyết lực lượng nhớt tìm cách sắp xếp các lĩnh vực vận tốc. Đối với nhiễu loạn lớn của dòng chảy có thể trở nên không ổn định, và bất ổn xảy ra.

Cho rằng ý nghĩa vật lý của số Reynolds - tỷ lệ của lực quán tính và lực nhớt, oán giận chảy bao phủ bởi công thức:

Re = ρuL / μ = ρu ² / (μ × (u / L )).

Tử số là gấp đôi so với đầu vận tốc và mẫu số - giá trị là số thứ tự của sự căng thẳng ma sát, nếu L được thực hiện như độ dày của lớp biên. áp lực động có xu hướng phá hủy sự cân bằng và ma sát lực lượng phản đối này. Tuy nhiên, vẫn chưa rõ lý do tại sao các lực lượng quán tính (hoặc áp lực vận tốc) dẫn đến những thay đổi chỉ khi họ đang có 1000 lần lực lượng nhớt hơn.

Tính toán và sự kiện

Có lẽ, thuận tiện hơn được sử dụng như một tốc độ đặc trưng Re _CR không tuyệt đối dòng chảy vận tốc u, và các nhiễu loạn vận tốc. Trong trường hợp này, số Reynolds quan trọng sẽ là khoảng 10, tức là khi vượt quá căng thẳng nhớt áp xáo trộn năng động hơn 5 lần so với dòng chảy thành lớp thành một dòng chảy chất lỏng hỗn loạn. Định nghĩa này Re theo một số nhà khoa học được giải thích bởi sự thật đã được chứng minh bằng thực nghiệm sau đây.

Đối với một vận tốc một cách hoàn hảo thống nhất trên một bề mặt hoàn toàn nhẵn theo truyền thống được xác định bởi số Re _cr có xu hướng đến vô cùng, có nghĩa là, sự chuyển đổi thực sự xảy ra để chảy nhiễu loạn. Đây là số Reynolds được xác định bởi độ lớn của vận tốc nhiễu loạn ở dưới giá trị quan trọng, đó là bằng 10.

Trong sự hiện diện của bất ổn nhân tạo, khiến tỷ lệ giật gân có thể so sánh với lãi suất cơ bản, dòng chảy trở nên hỗn loạn tại thấp hơn nhiều con số Reynolds hơn Re _cr, xác định từ giá trị tuyệt đối của tốc độ. Điều này cho phép việc sử dụng các hệ số Re _cr = 10, nơi vận tốc đặc trưng là giá trị tuyệt đối của vận tốc nhiễu loạn gây ra bởi những lý do trên.

Sự ổn định của chế độ dòng chảy thành lớp trong các đường ống

Các lớp và dòng chảy hỗn loạn là chung cho tất cả các loại chất lỏng và khí dưới những điều kiện khác nhau. Các thành lớp bản chất của dòng chảy là rất hiếm và được đặc trưng, ví dụ, đối với hẹp suối ngầm đồng bằng. Hơn thế nữa, vấn đề này là mối quan tâm của các nhà khoa học trong bối cảnh ứng dụng thực tế cho vận chuyển bằng nước đường ống, dầu, khí đốt và các chất lỏng khác.

Q ổn định dòng chảy thành lớp là có liên quan chặt chẽ với nghiên cứu này bị xáo trộn chuyển động của dòng chảy chính. Nó được tìm thấy bị ảnh hưởng bởi cái gọi là nhiễu loạn nhỏ. Tùy thuộc vào việc họ phát triển hoặc biến mất theo thời gian, dòng chảy cơ bản được coi là ổn định hoặc không ổn định.

Đối với chất lỏng nén và không nén

Một trong những yếu tố ảnh hưởng đến lớp và dòng chảy hỗn loạn là nén nó. bất động sản chất lỏng này là đặc biệt quan trọng trong việc nghiên cứu sự ổn định của quá trình phi văn phòng phẩm với sự thay đổi nhanh chóng trong dòng chính.

Các nghiên cứu chỉ ra rằng dòng chảy thành lớp của một chất lỏng không nén được trong các ống của bộ phận hình trụ có khả năng chống axisymmetric và phi axisymmetric rối loạn tương đối nhỏ trong thời gian và không gian.

Gần đây, các tính toán được thực hiện trên ảnh hưởng của nhiễu loạn trong kháng dòng chảy axisymmetric ở phần đầu vào của ống hình trụ nơi hiện tại chủ yếu là phụ thuộc vào hai tọa độ. Tọa độ trục của ống được coi là tham số có ảnh hưởng đến hồ sơ cá nhân vận tốc dọc theo bán kính của ống dòng chảy chính.

phần kết luận

Mặc dù nhiều thế kỷ nghiên cứu, chúng tôi không thể nói rằng laminar và hỗn loạn dòng chảy được nghiên cứu kỹ lưỡng. nghiên cứu thực nghiệm về mức độ vi mô, nâng cao vấn đề mới đòi hỏi phải có một biện minh tính lý luận. Bản chất của nghiên cứu là ứng dụng và sử dụng: hàng ngàn thế giới kilômét nước, dầu, khí đốt và sản phẩm. Các giải pháp kỹ thuật còn giới thiệu cho giảm bất ổn trong khi vận chuyển, hiệu quả hơn nó sẽ được.