Laminar และไหลเชี่ยว ระบอบการไหลของของไหล

ศึกษาคุณสมบัติของของเหลวและก๊าซไหลเป็นสิ่งที่สำคัญมากสำหรับอุตสาหกรรมและสาธารณูปโภค ราบเรียบและไหลเชี่ยวผลกระทบต่ออัตราการขนส่งทางน้ำน้ำมันท่อก๊าซธรรมชาติสำหรับวัตถุประสงค์ต่าง ๆ ส่งผลกระทบต่อพารามิเตอร์อื่น ๆ ปัญหาเหล่านี้จะอุทกพลศาสตร์วิทยาศาสตร์

การจัดหมวดหมู่

ในสภาพแวดล้อมทางวิทยาศาสตร์ของระบอบการไหลของของเหลวและก๊าซจะถูกแบ่งออกเป็นสองชั้นที่แตกต่างกันมาก:

• ราบเรียบ (อิงค์เจ็ท);
• เชี่ยว

นอกจากนี้ยังมีความแตกต่างขั้นตอนการเปลี่ยนผ่าน อนึ่งคำว่า "เหลว" มีความหมายที่กว้างก็สามารถอัด (ของเหลวเป็นจริง) ซึ่งเป็นอัด (แก๊ส) สื่อกระแสไฟฟ้า ฯลฯ ...

ประวัติผู้ป่วย

อีก Mendeleev ในปี 1880 ความคิดในการดำรงอยู่ของสองระบอบการไหลตรงข้ามได้แสดงออก สำหรับรายละเอียดเพิ่มเติมเกี่ยวกับเรื่องนี้ตรวจสอบฟิสิกส์และวิศวกรชาวอังกฤษออสบอร์นเรย์โนลด์สที่จบการศึกษาใน 1,883 ครั้งแรกที่จริงแล้วการใช้สูตรพบว่าที่อัตราการไหลต่ำของการขนส่งของเหลวกลายเป็นรูปแบบราบเรียบ: ชั้น (การไหลของอนุภาค) เกือบจะไม่ผสมและย้ายไปตามเส้นทางคู่ขนาน อย่างไรก็ตามหลังจากที่เอาชนะค่าที่สำคัญบางอย่าง (สำหรับเงื่อนไขที่แตกต่างกันจะแตกต่างกัน), สภาพการไหลของชื่อจำนวน Reynolds ของเหลวที่มีการเปลี่ยนแปลง: การไหลของเจ็ทจะกลายเป็นกระแสน้ำวนวุ่นวาย - นั่นคือป่วน ที่จะเปิดออกพารามิเตอร์เหล่านี้จะมีขอบเขตและก๊าซธรรมชาติ

ในทางปฏิบัติการคำนวณของนักวิทยาศาสตร์ภาษาอังกฤษแสดงให้เห็นว่าพฤติกรรมของการเช่นน้ำสูงขึ้นอยู่กับรูปร่างและขนาดของถัง (ท่อช่องทางเส้นเลือดฝอย ฯลฯ ) ซึ่งมันจะไหล ในท่อที่มีหน้าตัดเป็นวงกลม (เช่นใช้สำหรับการติดตั้งท่อความดัน) จำนวน Reynolds ของ - สูตร ของรัฐที่สำคัญ อธิบายไว้ดังนี้: Re = 2300 เพื่อเปิดช่องทางการไหลของ จำนวน Reynolds เป็น ที่แตกต่างกัน: Re = 900 สำหรับค่าขนาดเล็กสำหรับเรื่องมีการสั่งซื้อ ที่มีขนาดใหญ่ - วุ่นวาย

ไหล

ซึ่งแตกต่างจากเชี่ยวไหลเป็นธรรมชาติและทิศทางของน้ำ (ก๊าซ) กระแส พวกเขาย้ายชั้นโดยไม่ต้องผสมและไม่มี pulsations ในคำอื่น ๆ การเคลื่อนไหวที่เกิดขึ้นอย่างสม่ำเสมอโดยไม่ต้องกระโดดเอาแน่เอานอนในทิศทางความดันและความเร็ว

การไหลของของไหล Laminar จะเกิดขึ้นตัวอย่างเช่นในที่แคบ หลอดเลือด ของสิ่งมีชีวิตพืชและเส้นเลือดฝอยภายใต้ภาวะที่ปัจจุบันของของเหลวหนืดมาก (น้ำมันเชื้อเพลิงผ่านท่อ) จะเห็นภาพการไหลของเจ็ทจะเพียงพอที่จะแสดงให้เห็นถึงการแตะน้อย - น้ำจะไหลอย่างเงียบ ๆ อย่างเท่าเทียมกันโดยไม่ต้องผสม หากคลายเกลียวหัวจุกที่สิ้นสุด, ความดันของระบบจะเพิ่มขึ้นและการไหลจะกลายเป็นความวุ่นวาย

ไหลเชี่ยว

ซึ่งแตกต่างจากแบบราบเรียบประเด็นอนุภาคเพื่อนบ้านย้ายไปตามเส้นทางคู่ขนานอย่างมีนัยสำคัญที่ไหลเชี่ยวของของเหลวเป็นธรรมชาติของระเบียบ ถ้าเราใช้วิธีการ Lagrange, ไบร์ทของอนุภาคพลสามารถทับซ้อนและประพฤติค่อนข้างคาดเดา การเคลื่อนไหวของของเหลวและก๊าซภายใต้เงื่อนไขเหล่านี้เป็นชั่วคราวเสมอกับพารามิเตอร์เหล่านี้ nonstationarities สามารถมีความหลากหลายมาก

ในฐานะที่เป็นก๊าซไหลราบเรียบเข้าไปในระบอบการปกครองของเงินป่วนสามารถตรวจสอบได้โดยตัวอย่างปอยควันของบุหรี่การเผาไหม้ในอากาศยังคง ในขั้นต้นอนุภาคย้ายเส้นทางขนานเกือบไม่เปลี่ยนแปลงในเวลาที่ สูบบุหรี่ดูเหมือนว่าการแก้ไข จากนั้นในบางจุดทั้งหมดในทันทีที่มีวนขนาดใหญ่ที่ย้ายสมบูรณ์แบบสุ่ม vortices เหล่านี้เลิกเป็นคนเล็ก - เข้าแม้มีขนาดเล็กและอื่น ๆ ในท้ายที่สุดความจริงสูบบุหรี่ผสมกับอากาศโดยรอบ

รอบปั่นป่วน

ตัวอย่างข้างต้นเป็นตำราเรียนและจากการสังเกตของเขานักวิทยาศาสตร์ได้ทำข้อสรุปต่อไปนี้:

1. Laminar และไหลเชี่ยวมีความน่าจะเป็นในธรรมชาติ: การเปลี่ยนจากโหมดหนึ่งไปยังอีกที่ไม่ได้เป็นในตรงสถานที่ที่เหมาะสมและในพลธรรมสถานสุ่ม
2. แรกมี vortices ขนาดใหญ่ที่มีขนาดใหญ่กว่าขนาดของปอยของควัน การเคลื่อนไหวจะกลายเป็นไม่มั่นคงและ anisotropic อย่างยิ่ง กระแสขนาดใหญ่กลายเป็นไม่แน่นอนและเลิกเป็นขนาดเล็กและขนาดเล็ก ดังนั้นจึงมีลำดับชั้นของวน พลังงานของการเคลื่อนไหวจะถูกโอนจากใหญ่ไปเล็กและในตอนท้ายของกระบวนการนี้จะหายไป - การกระจายพลังงานที่เกิดขึ้นที่เครื่องชั่งน้ำหนักขนาดเล็ก
3. ไหลเชี่ยวเป็นที่ผิดปกติ: กระแสน้ำวนโดยเฉพาะอย่างยิ่งสามารถอยู่ในสุ่มสมบูรณ์สถานที่คาดเดาไม่ได้
4. ผสมกับควันอากาศโดยรอบไม่ได้เกิดขึ้นภายใต้การไหลและในป่วน - เป็นที่เข้มข้นมาก
5. แม้จะมีความจริงที่ว่าเงื่อนไขขอบเขตนิ่งปั่นป่วนตัวเองมีชั่วคราวเด่นชัดในธรรมชาติ - พารามิเตอร์ก๊าซไดนามิกทั้งหมดเปลี่ยนแปลงตลอดเวลา

มีอีกคุณสมบัติที่สำคัญของความวุ่นวายคือมันอยู่เสมอสามมิติ แม้ว่าเราจะพิจารณาการไหลหนึ่งมิติในท่อหรือบริเวณชั้นสองมิติยังคงเคลื่อนไหวของวนป่วนเกิดขึ้นในทิศทางของการประสานงานทั้งสามแกน

จำนวน Reynolds: สูตร

การเปลี่ยนแปลงจากราบเรียบไปวุ่นวายโดดเด่นด้วยจำนวน Reynolds ที่เรียกว่าสำคัญ:

_{Re CR = (ρuL / μ)} CR,

ที่ρ - ความหนาแน่นกระแสมึง - อัตราการไหลของลักษณะ; L - ไหลขนาดลักษณะμ - ค่าสัมประสิทธิ์ ของความหนืดแบบไดนามิก CR - โดยหลอดที่มีหน้าตัดเป็นวงกลม

ตัวอย่างเช่นสำหรับการไหลด้วยความเร็วยูในท่อ L ใช้เป็น ท่อขนาดเส้นผ่านศูนย์กลาง ออสบอร์นเรย์โนลด์สแสดงให้เห็นว่าในกรณีนี้ 2300 CR <20000. การแพร่กระจายที่มีขนาดใหญ่มากเกือบเป็นลำดับความสำคัญ

ผลที่คล้ายกันจะได้รับในชั้นขอบเขตบนแผ่นเวเฟอร์ ขนาดลักษณะจะมาเป็นระยะทางจากขอบด้านหน้าของแผ่นแล้ว 3 × ¹⁰ พฤษภาคม CR <4 × ¹⁰ เมษายน ถ้า L ถูกกำหนดให้เป็นความหนาของชั้นขอบเขตที่ 2700 CR <9000. มีการศึกษาทดลองที่ได้แสดงให้เห็นว่ามูลค่าของเรื่อง _CR อาจจะมีมากยิ่งขึ้น

แนวคิดของความเร็วก่อกวน

ราบเรียบและการไหลของของเหลวปั่นป่วนและตามค่าวิกฤตของจำนวน Reynolds (Re) ขึ้นอยู่กับจำนวนของปัจจัย. จากแรงกดดันทางลาดสูงของการกระแทกความหยาบความรุนแรงความวุ่นวายในการไหลภายนอกอุณหภูมิที่แตกต่างกัน ฯลฯ เพื่อความสะดวกของปัจจัยรวมเหล่านี้เรียกว่าความเร็วของการก่อกวน เนื่องจากพวกเขามีอิทธิพลบางอย่างในอัตราการไหล หากความวุ่นวายนี้มีขนาดเล็กก็สามารถตัดสินกองกำลังความหนืดที่กำลังมองหาที่จะปรับข้อมูลความเร็ว สำหรับเยี่ยงอย่างขนาดใหญ่ของการไหลจะกลายเป็นไม่แน่นอนและความวุ่นวายเกิดขึ้น

ระบุว่าความหมายทางกายภาพของจำนวน Reynolds - อัตราส่วนของกองกำลังเฉื่อยและกองกำลังหนืดแค้นกระแสปกคลุมด้วยสูตร:

Re = ρuL / μ = ρu ² / (μ× (U / L ))

เศษเป็นสองหัวความเร็วและหาร - ค่าเป็นคำสั่งของความเครียดเสียดทานถ้า L จะมาเป็นความหนาของชั้นขอบเขต ความดันแบบไดนามิกมีแนวโน้มที่จะทำลายความสมดุลและ แรงเสียดทานกองกำลัง ต่อต้าน แต่ก็เป็นที่ชัดเจนว่าทำไม กองกำลังของความเฉื่อย (หรือความดันความเร็ว) นำไปสู่การเปลี่ยนแปลงเฉพาะเมื่อพวกเขามีกองกำลัง 1000 ครั้งที่มีความหนืดมากขึ้น

การคำนวณและข้อเท็จจริง

อาจจะสะดวกยิ่งขึ้นใช้เป็นความเร็วลักษณะ Re _CR ไม่ได้ความเร็วของการไหลแน่นอนมึงและก่อกวนความเร็ว ในกรณีนี้จำนวน Reynolds ที่สำคัญจะอยู่ที่ประมาณ 10 นั่นคือเมื่อเกินรบกวนความดันแบบไดนามิกความเครียดความหนืดมากกว่า 5 ครั้งไหลเข้าสู่กระแสของเหลวป่วน คำนิยามนี้ Re ตามที่นักวิทยาศาสตร์บางส่วนจะมีการอธิบายอย่างดีจากการทดลองพิสูจน์ข้อเท็จจริงดังต่อไปนี้

สำหรับรายละเอียดความเร็วสม่ำเสมออย่างสมบูรณ์แบบบนพื้นผิวที่เรียบกริบจะถูกกำหนดตามธรรมเนียมจำนวนเรื่อง _CR มีแนวโน้มที่จะอินฟินิตี้, ที่อยู่, การเปลี่ยนแปลงที่เกิดขึ้นจริงจะวุ่นวาย ที่นี่จำนวน Reynolds จะถูกกำหนดโดยขนาดของการก่อกวนความเร็วต่ำกว่ามูลค่าที่สำคัญซึ่งมีค่าเท่ากับ 10

ในการปรากฏตัวของความวุ่นวายเทียมที่ก่อให้เกิดอัตราการสาดเทียบเคียงกับอัตราพื้นฐานที่ไหลเชี่ยวกลายเป็นที่ต่ำกว่ามากหมายเลข Reynolds กว่าเรื่อง _CR, กำหนดจากค่าสัมบูรณ์ของความเร็ว นี้จะช่วยให้การใช้งานของค่าสัมประสิทธิ์เรื่อง _CR = 10 ที่ความเร็วลักษณะเป็นค่าที่แน่นอนของการก่อกวนความเร็วที่เกิดจากเหตุผลดังกล่าวข้างต้นนั้น

เสถียรภาพของระบอบการปกครองไหลในท่อ

ราบเรียบและไหลเชี่ยวเป็นเรื่องธรรมดาที่ทุกประเภทของของเหลวและก๊าซภายใต้เงื่อนไขต่างๆ ลักษณะราบเรียบของการไหลเป็นของหายากและมีความโดดเด่นสำหรับตัวอย่างเช่นสำหรับใต้ดินแคบลำธารที่ราบ มากขึ้นปัญหานี้เป็นความกังวลของนักวิทยาศาสตร์ในบริบทของการประยุกต์ใช้สำหรับการขนส่งด้วยน้ำท่อน้ำมันก๊าซและของเหลวอื่น ๆ

Q เสถียรภาพไหลจะต้องเกี่ยวข้องกับการศึกษารบกวนการเคลื่อนไหวของการไหลของหลัก มันถูกพบว่าได้รับผลกระทบจากสิ่งที่เรียกว่าเยี่ยงอย่างขนาดเล็ก ทั้งนี้ขึ้นอยู่กับว่าพวกเขาเติบโตหรือจางหายไปเมื่อเวลาผ่านไปการไหลพื้นฐานจะถือเป็นความเสถียรหรือไม่เสถียร

สำหรับของเหลวอัดและไม่ได้อัด

หนึ่งในปัจจัยที่มีผลต่อราบเรียบและการไหลของของเหลวป่วนคือการอัดของมัน คุณสมบัติของเหลวนี้เป็นสิ่งสำคัญโดยเฉพาะอย่างยิ่งในการศึกษาความมั่นคงของกระบวนการไม่หยุดนิ่งกับการเปลี่ยนแปลงอย่างรวดเร็วในปัจจุบันหลัก

การศึกษาแสดงให้เห็นว่าไหลของของเหลวอัดในท่อของส่วนทรงกระบอกสามารถทนต่อ axisymmetric และ non-axisymmetric รบกวนค่อนข้างเล็กในเวลาและพื้นที่

เมื่อเร็ว ๆ นี้คำนวณจะดำเนินการเกี่ยวกับอิทธิพลของการรบกวนในความต้านทานการไหล axisymmetric ในส่วนที่ไหลเข้าของท่อทรงกระบอกที่ปัจจุบันหลักขึ้นอยู่กับทั้งสองพิกัด พิกัดแกนของท่อถือว่าเป็นพารามิเตอร์ที่มีผลต่อรายละเอียดความเร็วพร้อมรัศมีของท่อไหลหลัก

ข้อสรุป

แม้จะมีหลายศตวรรษของการศึกษาที่เราไม่สามารถพูดได้ว่าราบเรียบและปั่นป่วนไหลมีการศึกษาอย่างทั่วถึง การศึกษาทดลองในระดับไมโครยกประเด็นใหม่ที่ต้องมีเหตุผลการคำนวณเหตุผล ลักษณะของการวิจัยคือการประยุกต์ใช้และการใช้งาน: พันของโลกกิโลเมตรของน้ำน้ำมันก๊าซและสินค้า การแก้ปัญหาทางเทคนิคอีกต่อไปแนะนำให้รู้จักกับการลดลงของความวุ่นวายในระหว่างการขนส่งที่มีประสิทธิภาพมากขึ้นก็จะเป็น