Laminar dan aliran turbulen. rezim aliran fluida

Mempelajari sifat-sifat dari cairan dan gas aliran sangat penting bagi industri dan utilitas umum. The laminar dan efek aliran turbulen pada tingkat transportasi air, minyak, pipa gas alam untuk berbagai keperluan, mempengaruhi parameter lainnya. Masalah-masalah ini lakukan hidrodinamika ilmu.

klasifikasi

Dalam lingkungan ilmiah rezim aliran cairan dan gas dibagi menjadi dua kelas yang sangat berbeda:

• laminar (inkjet);
• bergolak.

Juga membedakan tahap transisi. Kebetulan, istilah "cair" memiliki arti yang luas: dapat mampat (cairan sebenarnya), seorang kompresibel (gas), konduktif, dll ...

hal ihwal

Lain Mendeleev pada tahun 1880 gagasan adanya dua rezim aliran berlawanan diungkapkan. Untuk detail lebih lanjut tentang masalah ini diperiksa fisikawan dan insinyur Inggris Osborne Reynolds yang menyelesaikan studi pada tahun 1883. Pertama, praktis, dan kemudian menggunakan rumus ditemukan bahwa pada tingkat aliran rendah dari transportasi cair menjadi bentuk laminar: (aliran partikel) lapisan hampir tidak mencampur dan bergerak sepanjang jalur paralel. Namun, setelah mengatasi nilai kritis tertentu (untuk kondisi yang berbeda itu berbeda), judul bilangan Reynolds kondisi aliran cairan berubah: aliran jet menjadi kacau pusaran - yaitu, bergolak. Ternyata, parameter ini sampai batas tertentu yang melekat dan gas.

Praktis perhitungan ilmuwan Inggris menunjukkan bahwa perilaku, misalnya, air, sangat tergantung pada bentuk dan dimensi tangki (pipa, saluran, kapiler, dll), di mana ia mengalir. Dalam pipa memiliki penampang melingkar (seperti yang digunakan untuk pemasangan pipa tekanan), jumlah Reynolds nya - rumus dari keadaan kritis digambarkan sebagai berikut: Re = 2300. Untuk membuka saluran aliran jumlah Reynolds adalah berbeda: Re = 900. Untuk nilai-nilai yang lebih kecil untuk Re diperintahkan, pada umumnya - kacau.

aliran laminar

Tidak seperti turbulen aliran laminar adalah sifat dan arah air (gas) mengalir. Mereka memindahkan lapisan tanpa pencampuran dan tanpa denyutan. Dengan kata lain, gerakan berlangsung seragam tanpa melompat tidak menentu di tekanan arah dan kecepatan.

aliran fluida laminar terbentuk, misalnya, dalam sempit pembuluh darah makhluk hidup, tanaman kapiler dan dalam kondisi yang sebanding, pada saat cairan yang sangat kental (bahan bakar minyak melalui pipa). Untuk memvisualisasikan aliran jet cukup untuk mengungkapkan keran kecil - air akan mengalir dengan tenang, secara merata, tanpa pencampuran. Jika membuka tutup keran sampai akhir, tekanan sistem akan naik dan arus akan menjadi kacau.

aliran turbulen

Tidak seperti laminar, dimana partikel tetangga bergerak sepanjang jalur substansial paralel, aliran turbulen cairan adalah sifat teratur. Jika kita menggunakan pendekatan Lagrange, lintasan partikel dapat sewenang-wenang tumpang tindih dan berperilaku cukup tak terduga. Gerakan cairan dan gas di bawah kondisi ini selalu sementara, dengan parameter ini nonstationarities dapat memiliki jangkauan yang sangat luas.

Sebagai aliran gas laminar menjadi hasil rezim bergolak, bisa dipantau oleh contoh kepulan asap dari rokok yang terbakar di udara masih. Awalnya, partikel bergerak jalur hampir sejajar tidak berubah dalam waktu. Asap tampaknya tetap. Kemudian di beberapa titik tiba-tiba ada pusaran besar yang bergerak benar-benar acak. vortisitas ini memecah menjadi lebih kecil - menjadi lebih kecil dan sebagainya. Pada akhirnya, hampir merokok campuran dengan udara sekitarnya.

siklus turbulensi

Contoh di atas adalah buku teks, dan dari pengamatannya ilmuwan telah membuat kesimpulan berikut:

1. Laminar dan aliran turbulen yang probabilistik di alam: transisi dari satu mode ke mode lain tidak di tempat yang tepat, dan di lokasi acak cukup sewenang-wenang.
2. Pertama, ada vortisitas besar yang lebih besar dari ukuran gumpalan asap. Gerakan menjadi goyah dan sangat anisotropik. arus besar menjadi tidak stabil dan memecah menjadi lebih kecil dan lebih kecil. Dengan demikian, ada hirarki dari pusaran. Energi dari gerakan ditransfer dari besar ke kecil, dan pada akhir proses ini menghilang - disipasi energi terjadi pada skala kecil.
3. aliran turbulen tidak menentu: pusaran tertentu dapat berada dalam benar-benar acak, tempat tak terduga.
4. Pencampuran asap dengan udara ambien tidak berlangsung di bawah aliran laminar, dan dalam bergolak - sangat intensif.
5. Terlepas dari kenyataan bahwa kondisi batas yang stasioner, gejolak itu sendiri memiliki sementara diucapkan di alam - semua parameter gas-dinamis berubah dari waktu ke waktu.

Ada properti penting dari turbulensi: itu selalu tiga dimensi. Bahkan jika kita menganggap aliran satu dimensi dalam pipa atau lapisan batas dua dimensi masih gerak pusaran turbulen terjadi di arah dari tiga sumbu koordinat.

bilangan Reynolds: rumus

Transisi dari laminar ke turbulensi ditandai dengan apa yang disebut jumlah Reynolds kritis:

_{Re cr = (ρuL / μ)} cr,

di mana ρ - kepadatan arus, u - laju alir karakteristik; L - mengalir ukuran karakteristik, μ - koefisien viskositas dinamis, cr - oleh sebuah tabung dengan penampang melingkar.

Sebagai contoh, untuk aliran dengan kecepatan u di pipa L digunakan sebagai diameter pipa. Osborne Reynolds menunjukkan bahwa dalam kasus ini, 2300 cr <20000. Penyebaran ini sangat besar, hampir urutan besarnya.

Hasil serupa diperoleh dalam lapisan batas pada wafer. Ukuran karakteristik diambil sebagai jarak dari tepi depan piring, dan kemudian 3 × ¹⁰ Mei cr <4 × ¹⁰ April. Jika L didefinisikan sebagai ketebalan lapisan batas, 2700 cr <9000. Ada studi eksperimental yang menunjukkan bahwa nilai Re _cr mungkin akan lebih besar.

Konsep kecepatan gangguan

The laminar dan aliran fluida turbulen, dan karenanya, nilai kritis dari jumlah Reynolds (Re) tergantung pada banyak faktor. Dari gradien tekanan, ketinggian gundukan kekasaran, intensitas turbulensi aliran eksternal, suhu diferensial, dll Untuk kenyamanan, faktor-faktor agregat disebut kecepatan gangguan karena mereka memiliki pengaruh tertentu pada laju aliran. Jika gangguan ini kecil, dapat diselesaikan pasukan kental berusaha untuk menyelaraskan medan kecepatan. Untuk gangguan besar aliran dapat menjadi tidak stabil, dan turbulensi terjadi.

Mengingat bahwa arti fisik bilangan Reynolds - rasio gaya inersia dan pasukan kental, kebencian arus tertutup dengan rumus:

Re = ρuL / μ = ρu ² / (μ × (u / L )).

pembilang adalah dua kali kepala kecepatan dan penyebut - nilai adalah dari urutan stres gesekan, jika L diambil sebagai ketebalan lapisan batas. tekanan dinamis cenderung merusak keseimbangan dan gesekan kekuatan menentang ini. Namun, tidak jelas mengapa kekuatan inersia (atau tekanan kecepatan) menyebabkan perubahan hanya ketika mereka 1000 kali kekuatan lebih kental.

Perhitungan dan fakta

Mungkin, lebih nyaman digunakan sebagai kecepatan karakteristik Re _CR tidak mutlak aliran kecepatan u, dan gangguan kecepatan. Dalam hal ini, jumlah Reynolds kritis akan menjadi sekitar 10, yaitu ketika melebihi gangguan tekanan dinamis tekanan kental lebih dari 5 kali aliran laminar menjadi aliran fluida bergolak. Definisi ini Re menurut beberapa ilmuwan juga dijelaskan oleh fakta-fakta berikut eksperimental terbukti.

Untuk profil kecepatan sempurna seragam pada permukaan halus sempurna secara tradisional ditentukan oleh jumlah Re _cr cenderung tak terbatas, yaitu, transisi benar-benar terjadi turbulensi. Berikut jumlah Reynolds ditentukan oleh besarnya gangguan kecepatan di bawah nilai kritis, yang sama dengan 10.

Di hadapan turbulensi buatan, menyebabkan tingkat percikan sebanding dengan tingkat dasar, aliran menjadi nomor Reynolds bergelora jauh lebih rendah daripada Re _cr, ditentukan dari nilai absolut dari kecepatan. Hal ini memungkinkan penggunaan koefisien Re _cr = 10, di mana kecepatan karakteristik adalah nilai absolut dari gangguan kecepatan yang disebabkan oleh alasan di atas.

Stabilitas rezim aliran laminar dalam pipa

The laminar dan aliran turbulen adalah umum untuk semua jenis cairan dan gas dalam berbagai kondisi. Sifat laminar aliran yang langka dan ditandai, misalnya, untuk sempit bawah tanah sungai dataran. Banyak lagi, masalah ini menjadi perhatian dari para ilmuwan dalam konteks aplikasi praktis untuk transportasi air pipa, minyak, gas dan cairan lainnya.

Q stabilitas aliran laminar adalah erat terkait dengan penelitian terganggu gerakan aliran utama. Ditemukan akan terpengaruh oleh apa yang disebut gangguan kecil. Tergantung pada apakah mereka tumbuh atau memudar dari waktu ke waktu, aliran dasar dianggap stabil atau tidak stabil.

Untuk cairan kompresibel dan tidak kompresibel

Salah satu faktor yang mempengaruhi laminar dan aliran fluida turbulen adalah kompresibilitas nya. Properti cairan ini sangat penting dalam studi stabilitas proses non-stasioner dengan perubahan yang cepat dalam arus utama.

Studi menunjukkan bahwa aliran laminar dari suatu fluida dalam tabung dari bagian silinder tahan terhadap axisymmetric dan non-axisymmetric gangguan yang relatif kecil dalam ruang dan waktu.

Baru-baru ini, perhitungan dilakukan pada pengaruh gangguan pada hambatan aliran axisymmetric di bagian inlet tabung silinder di mana arus utama adalah tergantung pada dua koordinat. Koordinat sumbu pipa dianggap sebagai parameter yang mempengaruhi profil kecepatan di sepanjang radius pipa aliran utama.

kesimpulan

Meskipun berabad-abad studi, kita tidak bisa mengatakan bahwa laminar dan turbulen aliran secara menyeluruh dipelajari. studi eksperimental pada tingkat mikro, mengangkat isu-isu baru yang memerlukan perhitungan pembenaran beralasan. Sifat penelitian adalah aplikasi dan penggunaan: ribuan di dunia kilometer dari air, minyak, gas dan produk. solusi teknis semakin lama diperkenalkan untuk mengurangi turbulensi selama transportasi, semakin efektif akan.