Flux laminaire et turbulent. les régimes d'écoulement de fluide

L'étude des propriétés de l'écoulement des liquides et des gaz est très important pour l'industrie et les services publics. L'effet laminaire et turbulent de l'écoulement de la vitesse de transport de l'eau, du pétrole, des canalisations de gaz naturel à des fins diverses, affecte les autres paramètres. Ces problèmes font hydrodynamisme de la science.

classification

Dans l'environnement scientifique des régimes d'écoulement du fluide et les gaz sont divisés en deux catégories bien distinctes:

• laminaire (jet d'encre);
• turbulent.

En outre distinguer phase transitoire. Soit dit en passant, le terme « liquide » a un sens large: il peut être incompressible (liquide est en réalité), un compressibles (gaz), conducteur, etc …

histoire de cas

Une autre Mendeleïev en 1880 l'idée de l'existence de deux régimes d'écoulement opposés a été exprimé. Pour plus de détails sur cette question a examiné le physicien britannique et ingénieur Osborne Reynolds qui a terminé l'étude en 1883. Tout d'abord, dans la pratique, et puis en utilisant les formules, il se trouve que, à un faible débit de transport de liquide devient forme laminaire: couches (flux de particules) est presque pas mélanger et se déplacer le long de trajectoires parallèles. Cependant, après avoir surmonté une certaine valeur critique (pour des conditions différentes, il est différent), le titre nombre de Reynolds conditions d'écoulement de liquide sont modifiés: le flux de jet devient tourbillon chaotique – à savoir, turbulent. En fin de compte, ces paramètres sont dans une certaine mesure inhérente et de gaz.

calculs de scientifique anglais pratiques ont montré que le comportement, par exemple, l'eau, est fortement dépendante de la forme et des dimensions du réservoir (tuyaux, des canaux, des capillaires, etc.), dans laquelle il circule. Dans les conduites ayant une section transversale circulaire ( par exemple , utilisé pour le montage de la tuyauterie sous pression), le nombre de Reynolds – la formule de l'état critique est décrite comme suit: Re = 2300. Afin d'ouvrir le canal d'écoulement du nombre de Reynolds est différent: Re = 900. Pour des valeurs plus petites pour Re est commandé, en général – chaotique.

écoulement laminaire

Contrairement à une turbulence de l'écoulement laminaire est la nature et la direction de l'eau (gaz) les flux. Ils se déplacent les couches sans mélange et sans pulsations. En d'autres termes, le mouvement se déroule de façon uniforme, sans sauts erratiques dans la direction de la pression et de la vitesse.

l' écoulement du fluide laminaires est formé, par exemple, dans étroits vaisseaux sanguins des êtres vivants, les plantes capillaires et dans des conditions comparables, à un courant de liquides très visqueux (huile de carburant à travers le pipeline). Pour visualiser le flux de jet est suffisante pour révéler un petit robinet – eau coulera tranquillement, uniformément, sans mélanger. Si dévisser le robinet à la fin, la pression du système augmente et le flux deviendra chaotique.

écoulement turbulent

Contrairement à un stratifié, dans lequel les particules voisines se déplacent le long de trajets sensiblement parallèles, un flux turbulent de fluide est nature désordonnée. Si nous utilisons l'approche Lagrange, les trajectoires des particules peuvent se chevaucher de façon arbitraire et se comportent tout à fait imprévisible. Mouvement des liquides et des gaz dans ces conditions sont toujours transitoires, ces paramètres peuvent avoir une non stationnarités gamme très large.

Comme l'écoulement de gaz laminaire en régime turbulent de produit, peut être surveillé par l'exemple des mèches de fumée d'une cigarette en combustion dans l'air immobile. Dans un premier temps, les particules se déplacent presque chemins parallèles sans changement dans le temps. La fumée semble fixé. Puis à un moment donné tout d'un coup il y a des grands tourbillons qui se déplacent complètement au hasard. Ces tourbillons se décomposent en plus petits – en encore plus petit et ainsi de suite. En fin de compte, pratiquement la fumée se mélange avec l'air ambiant.

cycles de turbulence

L'exemple ci-dessus est un manuel, et de ses observations scientifiques ont formulé les conclusions suivantes:

1. Flux laminaire et turbulent sont de nature probabiliste: le passage d'un mode à l'autre n'est pas exactement au bon endroit et dans un, emplacement aléatoire assez arbitraire.
2. Tout d'abord, il y a de grandes tourbillons qui sont plus grandes que la taille des fumerolles. Le mouvement devient instable et fortement anisotrope. Les grands flux deviennent instables et se décomposent en plus petits et plus petits. Ainsi, il y a une hiérarchie des tourbillons. L'énergie du mouvement est transféré de grand à petit, et à la fin de ce processus disparaît – dissipation d'énergie se produit à petite échelle.
3. écoulement turbulent est erratique: un tourbillon particulier peut être dans un endroit imprévisible complètement aléatoire.
4. Le mélange de fumée avec l'air ambiant ne se fait pas sous flux laminaire et turbulent dans – est très intense.
5. Malgré le fait que les conditions aux limites sont stationnaires, la turbulence elle-même a un transitoire prononcé dans la nature – tous les paramètres dynamiques gaz changent au fil du temps.

Il y a une autre propriété importante de la turbulence: il est toujours en trois dimensions. Même si l'on considère l'écoulement unidimensionnel dans la conduite ou la couche limite à deux dimensions encore mouvement de tourbillons se produisent dans les directions des trois axes de coordonnées.

nombre de Reynolds: la formule

La transition de laminaire à turbulence, caractérisé par ce qu'on appelle le nombre de Reynolds critique:

_{Re cr = (ρuL / μ)} cr,

où ρ – courant de densité, u – débit caractéristique; L – écoulement taille caractéristique, μ – le coefficient de viscosité dynamique, cr – par un tube avec une section transversale circulaire.

Par exemple, pour un écoulement à vitesse u dans le tuyau L est utilisé en tant que le diamètre du tuyau. Osborne Reynolds a montré que , dans ce cas, 2300 <Re _cr <20000. L'écart est très grand, presque un ordre de grandeur.

Un résultat similaire est obtenu dans la couche limite sur la plaquette. La taille caractéristique est prise comme la distance entre le bord avant de la plaque, et ensuite 3 × ¹⁰ mai <Re _cr <4 × ¹⁰ Avril. Si L est définie comme l'épaisseur de la couche limite, le 2700 <Re _cr <9000. Des études expérimentales ont montré que la valeur de Re _cr peut être encore plus.

Le concept de perturbation de vitesse

Le laminaire et un écoulement de fluide turbulent et, en conséquence, la valeur critique du nombre de Reynolds (Re) dépend d'un grand nombre de facteurs. Dans le gradient de pression, la hauteur de la rugosité des bosses, l'intensité de la turbulence dans le flux externe, la différence de température, etc. Pour plus de commodité, ces facteurs globaux sont appelés vitesse de perturbation car ils ont une certaine influence sur le débit. Si cette perturbation est faible, il peut être réglé des forces visqueuses qui cherchent à aligner le champ de vitesse. Pour les grandes perturbations du flux peuvent devenir instables, et la turbulence se produit.

Étant donné que la signification physique du nombre de Reynolds – le rapport entre les forces d'inertie et les forces visqueuses, ressentiment flux couverts par la formule:

Re = ρuL / μ = ρu ² / (μ × (U / L )).

Le numérateur est le double de la vitesse de la tête et le dénominateur – la valeur est de l'ordre de la contrainte de frottement, si L est considérée comme l'épaisseur de la couche limite. La pression dynamique tend à détruire l'équilibre et les forces friction s'y opposent. Cependant, on ne sait pas pourquoi les forces d'inertie (ou la pression de vitesse) conduisent à des changements seulement quand ils sont 1000 fois plus visqueux forces.

Les calculs et les faits

Probablement, plus commodément être utilisé comme une vitesse caractéristique Re _cr vitesse d'écoulement non absolue u, et la perturbation de vitesse. Dans ce cas, le nombre de Reynolds critique sera d'environ 10, à savoir en cas de dépassement de la perturbation de pression dynamique contraintes de viscosité de plus de 5 fois l'écoulement laminaire dans un fluide turbulent. Cette définition Re selon certains scientifiques est bien expliqué par les faits suivants éprouvés expérimentalement.

Pour un profil de vitesse parfaitement uniforme sur une surface parfaitement lisse est traditionnellement déterminée par le nombre Re _cr tend vers l' infini, qui est, la transition se produit en fait à la turbulence. Ici, le nombre de Reynolds est déterminée par la grandeur de la vitesse de perturbation au-dessous de la valeur critique, ce qui est égal à 10.

En présence de turbulence artificielle, ce qui provoque le taux de démarrage comparable au taux de base, l'écoulement devient turbulent des nombres de Reynolds beaucoup plus faibles que Re _cr, déterminée à partir de la valeur absolue de la vitesse. Ceci permet l'utilisation du coefficient Re _cr = 10, où la vitesse caractéristique est la valeur absolue de la perturbation de vitesse provoquée par les raisons ci – dessus.

La stabilité du régime d'écoulement laminaire dans le pipeline

Le flux laminaire et turbulent est commun à tous les types de liquides et de gaz dans diverses conditions. La nature laminaire de l'écoulement sont rares et sont caractérisés, par exemple, pour les plaines étroites de cours d'eau souterrains. Bien plus, cette question préoccupe des scientifiques dans le cadre de l'application pratique pour le transport par eau de pipeline, le pétrole, le gaz et autres fluides.

Q stabilité de l'écoulement laminaire est étroitement liée à l'étude perturbé le mouvement du flux principal. Il a été constaté d'être affecté par les petites perturbations soi-disant. Selon qu'ils grandissent ou disparaissent au fil du temps, le débit de base est considéré comme stable ou instable.

Pour les fluides compressibles et non compressibles

L'un des facteurs qui influent sur l'écoulement laminaire et turbulent de fluide est sa compressibilité. Cette propriété fluide est particulièrement important dans l'étude de la stabilité des processus non stationnaires avec des changements rapides dans le courant primaire.

Des études indiquent que l'écoulement laminaire d'un fluide incompressible dans les tubes de la section cylindrique est relativement résistant à de petites perturbations axisymétriques et non axisymétriques dans le temps et l'espace.

Récemment, les calculs sont effectués sur l'influence des perturbations sur la résistance à l'écoulement axisymétrique dans la partie d'entrée du tube cylindrique lorsque le courant principal est fonction des deux coordonnées. L'axe de coordonnées du tuyau est considérée comme le paramètre qui affecte le profil de vitesse le long du rayon du tuyau de flux principal.

conclusion

Malgré des siècles d'études, on ne peut pas dire que l'écoulement laminaire et turbulent est étudié à fond. Des études expérimentales sur le niveau micro, soulèvent de nouvelles questions nécessitant une justification de calcul motivée. La nature de la recherche est l'application et de l'utilisation: les milliers de kilomètres de l'eau, du pétrole, du gaz et des produits du monde. Plus les solutions techniques introduites pour la réduction de la turbulence pendant le transport, plus il sera efficace.