Flujo laminar y turbulento. los regímenes de flujo de fluidos

El estudio de las propiedades de los líquidos y gases flujo es muy importante para la industria y los servicios públicos. La laminar y el flujo turbulento efecto sobre la tasa de transporte de agua, aceite, tuberías de gas natural para diversos fines, afecta a los otros parámetros. Estos problemas hacen hidrodinámica ciencia.

clasificación

En el ambiente científico de los regímenes de flujo de fluidos y gases se dividen en dos clases muy distintas:

• laminar (chorro de tinta);
• turbulento.

También distinguir etapa de transición. Incidentalmente, el término "líquido" tiene un significado amplio: puede ser incompresible (líquido es en realidad), un compresible (gas), conductor, etc …

historia clínica

Otra Mendeleev en 1880, se expresó la idea de la existencia de dos regímenes de flujo opuestas. Para más detalles sobre este tema examinado el físico e ingeniero británico Osborne Reynolds que completaron el estudio en 1883. En primer lugar, en la práctica, y a continuación, utilizando las fórmulas que se encontró que a un caudal bajo de transporte de líquido se convierte en forma laminar: capas (flujo de partículas) casi no se mezclar y mover a lo largo de trayectorias paralelas. Sin embargo, después de superar un cierto valor crítico (para diferentes condiciones es diferente), se cambian las condiciones de flujo de líquido título número de Reynolds: el flujo de chorro se vuelve caótico vórtice – es decir, turbulento. Al final resultó que, estos parámetros son en cierta medida inherente y gases.

Prácticos cálculos científico inglés mostraron que el comportamiento de, por ejemplo, agua, depende de la forma y las dimensiones del tanque (tuberías, canales, capilares, etc.), en la que fluye altamente. En tubos que tiene una sección transversal circular (como se usa para el montaje de tubería de presión), su número de Reynolds – la fórmula del estado crítico se describe como sigue: Re = 2300. Con el fin de abrir el canal de flujo del número de Reynolds es diferente: Re = 900. Para valores más pequeños para Re se ordena, en general – caótica.

flujo laminar

A diferencia de un turbulento flujo laminar es la naturaleza y la dirección de agua (gas) fluye. Se mueven las capas sin mezclar y sin pulsaciones. En otras palabras, el movimiento tiene lugar de manera uniforme y sin saltos erráticos en la dirección de la presión y la velocidad.

el flujo de fluido laminar está formada, por ejemplo, en estrechos vasos sanguíneos de los seres vivos, los capilares plantas y en condiciones comparables, a una corriente de líquidos muy viscosos (aceite combustible a través de la tubería). Para visualizar el flujo del chorro es suficiente para revelar un golpecito – agua fluirá en voz baja, de manera uniforme, sin mezclar. Si desenroscar la espiga hasta el final, la presión del sistema se elevará y el flujo se convertirá caótico.

flujo turbulento

A diferencia de un laminar, en el que las partículas vecinas se mueven a lo largo de trayectorias sustancialmente paralelas, un flujo turbulento del fluido es la naturaleza desordenada. Si utilizamos el método de Lagrange, las trayectorias de las partículas de forma arbitraria pueden superponerse y se comportan de forma bastante imprevisible. El movimiento de líquidos y gases en estas condiciones son siempre transitoria, con estos parámetros nonstationarities pueden tener un rango muy amplio.

A medida que el flujo de gas laminar en el producto régimen turbulento, puede ser supervisada por los ejemplos de volutas de humo de un cigarrillo encendido en aire en reposo. Inicialmente, las partículas se mueven caminos casi paralelos sin cambios en el tiempo. El humo parece fijo. A continuación, en algún momento, de repente, hay grandes remolinos que se mueven completamente al azar. Estos vórtices se rompen en otros más pequeños – en aún más pequeño y así sucesivamente. Al final, prácticamente fumar mezcla con el aire circundante.

ciclos de turbulencia

El ejemplo anterior es un libro de texto, y de sus observaciones los científicos han hecho las siguientes conclusiones:

1. Flujo laminar y turbulento son de naturaleza probabilística: la transición de un modo a otro no es exactamente en el lugar correcto, y en una ubicación bastante arbitraria, aleatoria.
2. En primer lugar, hay grandes vórtices que son más grandes que el tamaño de las volutas de humo. Movimiento se vuelve inestable y fuertemente anisotrópico. Grandes flujos se vuelven inestables y se rompen en pequeños y más pequeños. Por lo tanto, existe una jerarquía de remolinos. La energía de movimiento se transfiere de grande a pequeño, y al final de este proceso desaparece – disipación de energía se produce en pequeñas escamas.
3. El flujo turbulento es irregular: un vórtice en particular puede estar en un lugar completamente al azar, impredecible.
4. Mezcla de humo con el aire ambiente no tiene lugar bajo flujo laminar y turbulento en – es muy intenso.
5. A pesar de que las condiciones de contorno son estacionarias, la turbulencia en sí tiene un transitorio pronunciada en la naturaleza – todos los parámetros de gas dinámico cambian con el tiempo.

Hay otra propiedad importante de la turbulencia: siempre es tridimensional. Incluso si tenemos en cuenta el flujo unidimensional en el tubo o capa límite bidimensional sigue el movimiento de los remolinos turbulentos se producen en las direcciones de los tres ejes de coordenadas.

número de Reynolds: la fórmula

La transición de laminar a la turbulencia caracteriza por el denominado número de Reynolds crítico:

_{Re (/ μ ρuL) cr =} Cr,

donde ρ – corriente de densidad, u – velocidad de flujo característica; L – Flujo de tamaño característico, μ – el coeficiente de viscosidad dinámica, cr – para por un tubo con una sección transversal circular.

Por ejemplo, para un flujo con u velocidad en el tubo en L se utiliza como el diámetro de la tubería. Osborne Reynolds demostró que en este caso, 2300 <Re _cr <20000. La propagación es muy grande, casi un orden de magnitud.

Un resultado similar se obtiene en la capa límite sobre la oblea. El tamaño característico se toma como la distancia desde el borde frontal de la placa, y luego 3 × ¹⁰ de mayo <Re _cr <4 × ¹⁰ de abril. Si L se define como el espesor de la capa límite, el 2700 <Re _cr <9,000. Hay estudios experimentales que han demostrado que el valor de Re _cr puede ser aún mayor.

El concepto de perturbación de la velocidad

La laminar y el flujo de fluido turbulento, y en consecuencia, el valor crítico del número de Reynolds (Re) depende de un gran número de factores. Desde el gradiente de presión, la altura de la piel de rugosidad, la intensidad de la turbulencia en el flujo externo, la temperatura diferencial, etc. Por conveniencia, estos factores agregados se denominan velocidad de perturbación ya que tienen una cierta influencia en el caudal. Si esta perturbación es pequeña, puede ser resuelta fuerzas viscosas que buscan alinear el campo de velocidades. Para las grandes perturbaciones del flujo puede llegar a ser inestable, y se producen turbulencias.

Dado que el significado físico del número de Reynolds – la relación de fuerzas de inercia y las fuerzas viscosas, resentimiento flujos cubierto por la fórmula:

Re = ρuL / μ = ρu ² / (μ x (u / L )).

El numerador es el doble de la carga de velocidad y el denominador – el valor es del orden de la tensión de fricción, si L se toma como el espesor de la capa límite. La presión dinámica tiende a destruir el equilibrio y las fuerzas de fricción se oponen a esto. Sin embargo, no está claro por qué las fuerzas de inercia (o presión de la velocidad) conducen a cambios sólo cuando son 1000 veces más fuerzas viscosas.

Cálculos y hechos

Probablemente, más convenientemente ser utilizado como una velocidad característica Re _Cr no absoluta velocidad de flujo u, y la perturbación de la velocidad. En este caso, el número de Reynolds crítico será de aproximadamente 10, es decir, cuando exceda de los esfuerzos viscosos perturbación de la presión dinámica de más de 5 veces el flujo laminar en un fluido fluye turbulentos. Esta definición Re según algunos científicos está bien explicado por los siguientes hechos comprobados experimentalmente.

Para un perfil de velocidad perfectamente uniforme sobre una superficie perfectamente lisa se determina tradicionalmente por el número Re _cr tiende a infinito, es decir, la transición se produce realmente a la turbulencia. Aquí el número de Reynolds se determina por la magnitud de la velocidad de perturbación por debajo del valor crítico, que es igual a 10.

En presencia de turbulencia artificial, causando tasa de chapoteo comparable con la tasa básica, el flujo se vuelve mucho más bajos números de Reynolds turbulentos que Re _cr, determinados a partir del valor absoluto de la velocidad. Esto permite el uso del coeficiente de Re _cr = 10, donde la velocidad característica es el valor absoluto de la perturbación velocidad causada por las razones anteriores.

Estabilidad del régimen de flujo laminar en la tubería

El flujo laminar y turbulento es común a todos los tipos de líquidos y gases en diversas condiciones. La naturaleza laminar del flujo son raros y se caracterizan, por ejemplo, para estrechas llanuras corrientes subterráneas. Mucho más, este tema es motivo de preocupación de los científicos en el contexto de aplicación práctica para el transporte por tubería de agua, petróleo, gas y otros fluidos.

Q estabilidad de flujo laminar está estrechamente relacionado con el estudio perturba el movimiento del flujo principal. Se encontró a ser afectados por las denominadas perturbaciones pequeñas. Dependiendo de si crecen o se desvanecen con el tiempo, el flujo básico es considerado como estable o inestable.

Para fluidos compresibles y no compresibles

Uno de los factores que afectan a la laminar y el flujo de fluido turbulento es su compresibilidad. Esta propiedad del fluido es particularmente importante en el estudio de la estabilidad de los procesos no estacionarios con cambio rápido en la corriente primaria.

Los estudios indican que el flujo laminar de un fluido incompresible en los tubos de la sección cilíndrica es resistente a relativamente pequeñas perturbaciones de revolución y no de revolución en tiempo y espacio.

Recientemente, los cálculos se llevan a cabo sobre la influencia de perturbaciones en la resistencia al flujo de simetría axial en la porción de entrada del tubo cilíndrico donde la corriente principal es dependiente de las dos coordenadas. El eje de coordenadas de la tubería se considera como el parámetro que afecta el perfil de velocidad a lo largo del radio del tubo de flujo principal.

conclusión

A pesar de siglos de estudio, no podemos decir que el flujo laminar y turbulento es estudiado a fondo. Estudios experimentales sobre el nivel micro, plantean nuevas cuestiones que requieren una justificación razonada de cálculo. La naturaleza de la investigación es la aplicación y uso: miles en el mundo de kilómetros de agua, petróleo, gas y productos. Las soluciones técnicas más largo sea el introducidos para la reducción de la turbulencia durante el transporte, más eficaz será.