آرام و جریان آشفته. رژیم های جریان سیال

مطالعه خواص مایعات و گازها جریان برای صنعت و خدمات عمومی بسیار مهم است. دارای ورقه های نازک و اثر جریان آشفته در نرخ حمل و نقل آب، نفت، خطوط لوله گاز طبیعی برای مقاصد مختلف، پارامترهای دیگر تاثیر می گذارد. این مشکلات انجام هیدرودینامیک علم است.

طبقه بندی

در محیط های علمی رژیم جریان سیال و گاز به دو دسته بسیار متمایز تقسیم می شوند:

• آرام (جوهر افشان).
• آشفته.

همچنین مرحله انتقالی تمایز قائل شود. در ضمن، از اصطلاح "مایع" است به معنی گسترده ای: می توان آن تراکم ناپذیر (مایع واقع است)، یک تراکم (گاز)، رسانا، و غیره ...

تاریخچه

مندلیف دیگر در 1880 این ایده از وجود دو رژیم جریان مخالف بیان شد. برای اطلاعات بیشتر در مورد این موضوع را مورد بررسی قرار فیزیکدان بریتانیایی و مهندس آزبورن رینولدز که این مطالعه را در سال 1883 به پایان رسید. اول، عملا، و سپس با استفاده از فرمول آن را یافت که در یک نرخ جریان کم از حمل و نقل مایع فرم آرام می شود: لایه (جریان ذرات) است که تقریبا مخلوط نیست و حرکت در امتداد مسیرهای موازی. با این حال، پس از غلبه بر یک مقدار بحرانی معین (برای شرایط مختلف آن متفاوت است)، عنوان عدد رینولدز شرایط جریان مایع تغییر یافته باشند: جریان جت گرداب هرج و مرج می شود - به عنوان مثال، آشفته. همانطور که معلوم شد، این پارامترها تا حدی ذاتی و گاز هستند.

عملی محاسبات دانشمند انگلیسی نشان داد که رفتار، به عنوان مثال، آب، است به شدت وابسته به شکل و ابعاد مخزن (لوله ها، کانال ها، مویرگ ها، و غیره)، که در آن جریان می یابد. - در لوله های داشتن یک سطح مقطع دایره ای (مانند مورد استفاده برای نصب و استقرار لوله کشی فشار)، عدد رینولدز آن فرمول از وضعیت وخیم پاسخ = 2300. به منظور باز کردن کانال جریان: به طور خلاصه توضیح عدد رینولدز است مختلف: پاسخ = 900. برای مقادیر کوچکتر برای پاسخ دستور داد، در بزرگ - هرج و مرج.

جریان آرام

بر خلاف یک آشفته جریان آرام ماهیت و جهت آب است (گاز) جریان می یابد. آنها لایه های بدون مخلوط کردن و بدون ضربان حرکت می کند. به عبارت دیگر، جنبش می گیرد یکنواخت بدون جهش نامنظم در جهت فشار و سرعت.

جریان سیال آرام تشکیل شده است، به عنوان مثال، در باریک شدن رگ های خونی از موجودات زنده، گیاهان مویرگ ها و تحت شرایط مشابه، در جریان مایعات بسیار چسبناک (نفت سوخت از طریق خط لوله). به تجسم جریان جت به فاش شیر کمی کافی است - آب بی سر و صدا جریان خواهد شد، به طور مساوی، بدون مخلوط کردن. اگر باز کردن شیر آب را به پایان، فشار سیستم افزایش خواهد یافت و جریان پر هرج و مرج تبدیل خواهد شد.

جریان آشفته

بر خلاف یک ورقه های نازک، در جایی که ذرات همسایه حرکت در امتداد مسیرهای قابل ملاحظه ای موازی، جریان آشفته از مایع طبیعت بی نظم است. اگر ما روش لاگرانژ استفاده کنید، مدار ذرات خودسرانه می تواند با هم همپوشانی دارند و رفتار کاملا غیر قابل پیش بینی. جنبش مایعات و گازها تحت این شرایط همیشه گذرا هستند، با این پارامترها nonstationarities می توانید طیف بسیار گسترده ای دارند.

همانطور که جریان گاز آرام به درآمد حاصل از رژیم آشفته، می توان با مثال حلقه های دود سیگار از سوختن در هوا هنوز تحت نظارت است. در ابتدا، ذرات مسیر تقریبا موازی بدون تغییر در زمان حرکت می کند. دود ثابت به نظر می رسد. سپس در برخی از نقطه همه ناگهانی هستند پیچش بزرگ است که کامل به صورت تصادفی حرکت وجود دارد. چنین جریانی شکستن به کوچکتر - به حتی کوچکتر و به همین ترتیب. در پایان، تقریبا مخلوط با هوای اطراف دود.

چرخه آشفتگی

در مثال بالا، یک کتاب درسی است و از مشاهدات خود دانشمندان نتیجه گیری زیر ساخته شده اند:

1. آرام و جریان آشفته احتمالاتی در طبیعت: انتقال از یک حالت خود را به دیگری است دقیقا در جای درست نیست، و در یک نسبتا خودسرانه، مکان تصادفی.
2. اول، گردابه های بزرگ هستند که بزرگتر از اندازه حلقه های دود وجود دارد. جنبش ناپایدار و به شدت ناهمسانگرد شود. جریان بزرگ تبدیل به ناپایدار و شکستن به کوچکتر و کوچکتر. بنابراین، یک سلسله مراتب از پیچش وجود دارد. انرژی جنبش از بزرگ به کوچک منتقل، و در پایان این فرایند از بین می رود - اتلاف انرژی در مقیاس کوچک رخ می دهد.
3. جریان متلاطم نامنظم است: یک گرداب خاص می تواند در یک کاملا تصادفی، محل غیر قابل پیش بینی باشد.
4. مخلوط کردن دود با هوای محیط می کند تحت جریان آرام را ندارد، و در آشفته - بسیار فشرده است.
5. با وجود این واقعیت است که شرایط مرزی ثابت هستند، آشفتگی خود را تا به گذرا انتظار در طبیعت - تمام پارامترهای گاز پویا در طول زمان تغییر دهید.

یکی دیگر از ویژگیهای مهم تلاطم وجود دارد: آن است که همیشه سه بعدی. حتی اگر ما جریان یک بعدی در لوله و یا لایه مرزی دو بعدی در نظر هنوز هم حرکت پیچش متلاطم در جهت از سه محور مختصات رخ می دهد.

عدد رینولدز: فرمول

گذار از آرام به تلاطم است که با به اصطلاح عدد رینولدز بحرانی:

_{پاسخ CR = (/ μ ρuL)} CR،

که در آن ρ - جریان تراکم، U - سرعت جریان مشخصه. L - جریان اندازه مشخصه، μ - ضریب ویسکوزیته پویا، CR - توسط یک لوله با سطح مقطع دایره ای.

به عنوان مثال، برای یک جریان با تو سرعت در لوله L به عنوان استفاده قطر لوله. آزبورن رینولدز نشان داد که در این مورد، 2300 <پاسخ _CR <20000 و گسترش بسیار بزرگ است، تقریبا منظور از قدر.

یک نتیجه مشابه است در لایه مرزی بر روی ویفر دست آمده است. اندازه مشخصه به عنوان فاصله از لبه جلوی صفحه گرفته شده، و سپس 3 × ¹⁰ مه <پاسخ _CR <4 × ¹⁰ ماه آوریل است. اگر L به عنوان ضخامت لایه مرزی از 2700 تعریف <پاسخ _CR <9000. مطالعات تجربی است که نشان داده اند که ارزش _CR پاسخ ممکن است حتی بیشتر وجود دارد.

مفهوم اختلال سرعت

دارای ورقه های نازک و جریان سیال آشفته و بر این اساس، مقدار بحرانی عدد رینولدز (پاسخ) بستگی به تعداد زیادی از عوامل از گرادیان فشار، ارتفاع برجستگی زبری، شدت تلاطم در جریان خارجی، دمای دیفرانسیل، و غیره برای راحتی، این عوامل در مجموع می سرعت اختلال به نام از آنجایی که آنها یک نفوذ خاص در سرعت جریان. اگر این اختلال کوچک است، می توان آن را نیروهای چسبناک به دنبال به چین فیلد سرعت حل و فصل. برای آشفتگی بزرگی از جریان می تواند ناپایدار بوده و آشفتگی رخ می دهد.

با توجه به اینکه معنای فیزیکی عدد رینولدز - نسبت نیروهای اینرسی و نیروهای چسبناک، خشم جریان با استفاده از فرمول های تحت پوشش:

پاسخ = ρuL / μ = ρu ² / (μ × (U / L )).

صورت کسر دو برابر سر سرعت و مخرج - ارزش است منظور از تنش اصطکاکی، اگر L به عنوان ضخامت لایه مرزی گرفته شده است. فشار پویا تمایل به از بین بردن تعادل و اصطکاک نیروهای مخالف. با این حال، مشخص نیست که چرا نیروهای اینرسی (یا فشار سرعت) منجر به تغییرات تنها زمانی که آنها 1000 برابر نیروهای چسبناک تر هستند.

محاسبات و حقایق

احتمالا، به راحتی به عنوان یک سرعت مشخصه پاسخ _CR مطلق نیست سرعت جریان U، و اغتشاش سرعت استفاده می شود. در این مورد، عدد رینولدز بحرانی خواهد بود حدود 10 است، یعنی هنگامی که بیش از اختلال فشار دینامیکی تنش چسبناک بیش از 5 برابر جریان آرام را به یک جریان سیال آشفته. این تعریف با توجه به برخی از دانشمندان دوباره به خوبی توسط در بر داشت زیر حقایق تجربی به اثبات رسیده است.

برای پروفیل سرعت کاملا یکنواخت بر روی یک سطح کاملا صاف است به طور سنتی توسط تعدادی تعیین پاسخ _CR به بی نهایت میل، این است که، گذار واقع رخ می دهد به آشوب. در اینجا عدد رینولدز توسط مقدار سرعت اختلال در زیر مقدار بحرانی، برابر با 10 است که تعیین می شود.

در حضور اغتشاش مصنوعی، باعث نرخ چلپ چلوپ مقایسه با نرخ پایه، جریان آشفته بسیار پایین اعداد رینولدز از _{CR پاسخ،} تعیین شده از ارزش مطلق سرعت است. این اجازه می دهد تا با استفاده از ضریب پاسخ _CR = 10، که در آن سرعت مشخصه مقدار مطلق اختلال سرعت ناشی از دلایل بالا است.

ثبات رژیم جریان آرام در خط لوله

دارای ورقه های نازک و جریان آشفته رایج همه نوع از مایعات و گازها در شرایط مختلف است. طبیعت آرام از جریان نادر است و، مشخص برای مثال، برای باریک چشمه های زیرزمینی دشت. خیلی بیشتر، این موضوع از نگرانی از دانشمندان در زمینه کاربرد عملی برای حمل و نقل توسط آب خط لوله، نفت، گاز و مایعات دیگر.

Q ثبات جریان آرام نزدیک مرتبط است به مطالعه آشفته حرکت جریان اصلی. آن را به توسط به اصطلاح پرتلاطم کوچک تحت تاثیر قرار داده شد. بسته به اینکه آنها رشد می کنند و یا محو در طول زمان، جریان پایه در نظر گرفته می شود با ثبات یا بی ثبات است.

برای سیالات تراکم و تراکم

یکی از عوامل موثر بر آرام و جریان سیال آشفته تراکم آن است. این خاصیت سیال به خصوص در این مطالعه از ثبات فرآیندهای غیر ثابت با تغییر سریع در جریان اولیه مهم است.

مطالعات نشان می دهد که جریان آرام از سیال تراکم ناپذیر در لوله های بخش استوانه ای به تقارن محوری و غیر متقارن اختلالات نسبتا کوچک در زمان و مکان مقاوم است.

به تازگی، محاسبات بر روی تاثیر اختلالات در مقاومت در برابر جریان تقارن محوری در بخش ورودی از لوله استوانه ای انجام که در آن جریان اصلی وابسته به دو مختصات است. مختصات محور لوله به عنوان پارامتر که پروفیل سرعت در راستای شعاع لوله جریان اصلی را تحت تاثیر قرار در نظر گرفته.

نتیجه

با وجود قرن ها مطالعه، ما نمی توانیم بگوییم که آرام و آشفته، جریان به طور کامل بررسی شده است. مطالعات تجربی در سطح خرد، افزایش مسائل جدید نیاز به توجیه محاسبه استدلال. هزاران نفر در جهان از کیلومتر از آب، نفت، گاز و محصول: طبیعت از تحقیقات کاربرد و استفاده است. راه حل های فنی دیگر معرفی شده برای کاهش تلاطم در طول حمل و نقل، موثرتر از آن خواهد شد.