Режимы течения жидкости. Ламинарный и турбулентный режим
Под режимом течения жидкости понимают кинематику и динамику жидких макрочастиц, определяющую в совокупности структуру и свойства потока вцелом.
Режим движения определяется соотношением сил инерции и трения в потоке. Причем эти силы всегда действуют на жидкие макрочастицы при их движении в составе потока. Хотя это движение может быть вызвано различными внешними силами например силами гравитации и давления. Соотношение этих сил отражает критерий Рейнольдса, которое является критерием режима течения жидкости.
При низких скоростях движения частиц жидкости в потоке преобладают силы трения, числа Рейнольдса малы. Такое движение называется ламинарным.
При высоких скоростях движения частиц жидкости в потоке числа Рейнольдса велики, тогда в потоке преобладают силы инерции и эти силы определяют кинематику и динамику частиц, такой режим называется турбулентным
Вид режима, в значительной мере, влияет на процессы происходящие в потоке, а значит и расчетные зависимости.
Ламинарный режим течения жидкости
Схема установки для иллюстрации режимов течения жидкости показана на рисунке.
Жидкость из бака по прозрачному трубопроводу через кран поступает на слив. На входе в трубу установлена тонкая трубка по которой в центральную часть потока поступает красящее вещество.
Если немного приоткрыть кран, жидкость начнет протекать по трубопроводу с небольшой скоростью. При введении красящего вещество в поток можно будет увидеть как токая струйка красящего вещества в виде линии протекает от начала трубы до ее конца. Это свидетельствует о слоистом течении жидкости, без перемешивания и вихреообразования, и преобладании в потоке сил инерции.
Такой режим течения называется ламинарным.
При ламинарном течении линии тока параллельны оси трубы, т.е. отсутствует поперечные потоку жидкости перемещения.
Турбулентый режим течения
При увеличении расхода через трубу в рассматриваемой установке скорость движения частиц жидкости будет увеличиваться. Струя красящей жидкости начнет колебаться.
Если открыть кран сильнее, расход через трубу увеличится.
Поток красящей жидкости начнет смешиваться с основным потоком, будут заметны многочисленные зоны вихреообразования, перемешивания, в потоке будут преобладать силы инерции. Такой режим течения называется турбулентным.
При турбулентном течении векторы скоростей имеют не только осевые, но и нормальные к оси русла составляющие.
От чего зависит режим течения жидкости
Режим течения зависит от скорости движения частиц жидкости в трубопроводах, геометрии трубопровода.
Как было отмечено ранее, О режиме течения жидкости в трубопроводе позволяет судить критерий Рейнольдса, отражающий отношение сил инерции к силам вязкого трения.
Ламина́рное тече́ние (лат. lamina — пластинка, полоска) — течение, при котором жидкость или газ перемещается слоями без перемешивания и пульсаций (то есть беспорядочных быстрых изменений скорости и давления).
Течение жидкостей и газа
Ползучее течение
Ламинарное течение
Потенциальное течение
Отрыв течения
Вихрь
Неустойчивость
Турбулентность
Конвекция
Ударная волна
Сверхзвуковое течение
Ламинарное течение возможно только до некоторого критического значения числа Рейнольдса, после которого оно переходит в турбулентное. Критическое значение числа Рейнольдса зависит от конкретного вида течения (течение в круглой трубе, обтекание шара и т. п.). Например, для течения в круглой трубе .
До 1917 года в российской науке пользовались термином Струйчатое течение.
Только в ламинарном режиме возможно получение точных решений уравнения движения жидкости (уравнений Навье-Стокса), например течение Пуазейля. В некоторых случаях для получения порогового числа Рейнольдса достаточно провести линейный анализ устойчивости — теоретический анализ устойчивости под воздействием бесконечно малых возмущений. Так, например, получены пороги для течения между параллельными плоскостями и течения Тейлора между вращающимися цилиндрами. Однако в некоторых случаях линейного анализа недостаточно: для течения в круглой трубе он приводит к абсолютной устойчивости, что опровергается экспериментами.
См. также
Ссылки
Полезное
Смотреть что такое «Ламинарный поток» в других словарях:
Ламинарный поток — Однонаправленный поток воздуха, в котором скорости воздуха вдоль параллельных линий тока одинаковы. Источник … Словарь-справочник терминов нормативно-технической документации
ламинарный поток — — [Я.Н.Лугинский, М.С.Фези Жилинская, Ю.С.Кабиров. Англо русский словарь по электротехнике и электроэнергетике, Москва, 1999 г.] Тематики электротехника, основные понятия EN laminar flow … Справочник технического переводчика
Ламинарный поток воздуха (laminar air flow) — Ламинарный поток воздуха (laminar air flow): поток воздуха, в котором скорости воздуха вдоль параллельных линий тока одинаковы. Источник: АСЕПТИЧЕСКОЕ ПРОИЗВОДСТВО МЕДИЦИНСКОЙ ПРОДУКЦИИ. ЧАСТЬ 1. ОБЩИЕ ТРЕБОВАНИЯ. ГОСТ Р ИСО 13408 1 2000 (утв.… … Официальная терминология
ламинарный поток (режим течения) 5 — 3.16 ламинарный поток (режим течения)5: Поток, для которого силы, вызываемые вязкостью, значительно превосходят силы инерции. 5 Ламинарный поток может быть непостоянным, однако он совершенно не подвержен турбулентности. Пример ламинарного потока… … Словарь-справочник терминов нормативно-технической документации
Однонаправленный поток воздуха (ламинарный поток) — контролируемый поток воздуха с постоянной скоростью и параллельными линиями тока по всему поперечному сечению чистой зоны. Источник … Словарь-справочник терминов нормативно-технической документации
установившийся ламинарный поток — — [http://slovarionline.ru/anglo russkiy slovar neftegazovoy promyishlennosti/] Тематики нефтегазовая промышленность EN streamline flow … Справочник технического переводчика
Ламинарный пограничный слой — пограничный слой, в котором имеет место ламинарное течение. Поведение Л. п. с. описывается уравнениями Л. Прандтля, решение которых для заданных начальных и граничных условий в общем случае можно получить только численно с помощью ЭВМ, и зависит… … Энциклопедия техники
ламинарный ветровой поток — — [А.С.Гольдберг. Англо русский энергетический словарь. 2006 г.] Тематики энергетика в целом EN hydraulically smooth wind flow … Справочник технического переводчика
ламинарный вязкостный поток среды — (при низких скоростях) [А.С.Гольдберг. Англо русский энергетический словарь. 2006 г.] Тематики энергетика в целом EN laminar fluid viscous flow … Справочник технического переводчика
ламинарный бокс — ЛАМИНАР – устройство для обеспечения асептических условий, необходимых для микробиол. работ. Представляет собой, по существу, вытяжной шкаф, но работающий «наоборот», т. е. создающий в камере большего или меньшего объема поток стерильного воздуха … Словарь микробиологии
Движение жидкости, наблюдаемое при малых скоростях, при котором отдельные струйки жидкости движутся параллельно друг другу и оси потока, называют ламинарный режим движения жидкости.
В этой статье подробно описывается процесс ламинарного режима, переход в ламинарного режима из турбулентный, формула и закон этого режима и многое другое.
Очень наглядное представление о ламинарном режиме движения жидкости можно получить из опыта Рейнольдса. Подробное описание здесь.
Содержание статьи
Ламинарный режим движения в опытах
Жидкая среда вытекает из бака через прозрачную трубу и через кран уходит на слив. Таким образом жидкость течет с определенным небольшим и постоянным расходом.
На входе в трубу установлена тонкая трубочка по которой в центральную часть потока поступает подкрашенная среда.
При попадании краски в поток жидкости движущейся с небольшой скоростью красная краска будет двигаться ровной струйкой. Из этого опыта можно сделать вывод о слоистом течении жидкости, без перемешивания и вихреообразования.
Такой режим течения жидкости принято назыать ламинарным.
Рассмотрим основные закономерности ламинарного режима при равномерном движении в круглых трубах, ограничиваясь случаями, когда ось трубы горизонтальна.
При этом мы будем рассматривать уже сформировавшийся поток, т.е. поток на участке, начало которого находится от входного сечения трубы на расстоянии, обеспечивающем окончательный устойчивый вид распределения скоростей по сечению потока.
Имея ввиду, что ламинарный режим течения имеет слоистый(струйный) характер и происходит без перемешивания частиц, следует считать, что в ламинарном потоке будут иметь место только скорости, параллельные оси трубы, поперечные же скорости будут отсутствовать.
Можно представить себе, что в этом случае движущаяся жидкость как бы разделяется на бесконечно большое число бесконечно тонких цилиндрических слоев, параллельных оси трубопровода и движущихся один внутри другого с различными скоростями, увеличивающимися в направлении от стенок к оси трубы.
При этом скорость в слое, непосредственно соприкасающемся со стенками из-за эффекта прилипания равна нулю и достигает максимального значения в слое, движущемся по оси трубы.
Формула ламинарного режима течения
Принятая схема движения и введенные выше предположения позволяют теоретическим путем установить закон распределения скоростей в поперечном сечении потока при ламинарном режиме.
Для этого сделаем следующее. Обозначим внутренний радиус трубы через r и выберем начало координат в центре её поперечного сечения O, направив ось х по оси трубы, а ось z по вертикали.
Теперь выделим внутри трубы объем жидкости в виде цилиндра некоторого радиуса y длиной L и применим к нему уравнение Бернулли. Так как в следствии горизонтальности оси трубы z1=z2=0, то
где R – гидравлический радиус сечения выделенного цилиндрического объема = у/2
Подставляя значения R и τ в исходное уравнение получим
Задавая различные значения координаты y, можно вычислить скорости в любой точке сечения. Максимальная скорость, очевидно, будет при y=0, т.е. на оси трубы.
Для того, чтобы изобразить это уравнения графически, необходимо отложить в определенном масштабе от некоторой произвольной прямой АА скорости в виде отрезков, направленных по течению жидкости, и концы отрезков соединить плавной кривой.
Полученная кривая и представит собой кривую распределения скоростей в поперечном сечении потока.
График изменения силы трения τ по сечению выглядит совсем по другому. Таким образом, при ламинарном режиме в цилиндрической трубе скорости в поперечном сечении потока изменяются по параболическому закону, а касательные напряжения – по линейному.
Полученные результаты справедливы для участков труб с вполне развитым ламинарным течением. В действительности, жидкость, которая поступает в трубу, должна пройти от входного сечения определенный участок, прежде чем в трубе установится соответствующий ламинарному режиму параболический закон распределения скоростей.
Развитие ламинарного режима в трубе
Развитие ламинарного режима в трубе можно представить себе следующим образом. Пусть, например, жидкость входит в трубу из резервуара большого размеры, кромки входного отверстия которого хорошо закруглены.
В этом случае скорости во всех точках входного поперечного сечения будут практически одинаковы, за исключением очень тонкого, так называемого пристенного слоя(слоя вблизи стенок), в котором вследствие прилипания жидкости к стенкам происходит почти внезапное падение скорости до нуля. Поэтому кривая скоростей во входном сечении может быть представлена достаточно точно в виде отрезка прямой.
По мере удаления от входа, вследствие трения у стенок, слои жидкости, соседние с пограничным слоем, начинают затормаживаться, толщина этого слоя постепенно увеличивается, а движение в нем, наоборот, замедляется.
Центральная же часть потока (ядро течения), еще не захваченная трением, продолжает двигаться как одно целое, с примерно одинаковой для всех слоев скоростью, причем замедление движения в пристенном слое неизбежно вызывает увеличение скорости в ядре.
Таким образом, в середине трубы, в ядре, скорость течения все время возрастает, а у стенок, в растущем пограничном слое, уменьшается. Это происходит до тех пор, пока пограничный слой не захватит всего сечения потока и ядро не будет сведено к нулю. На этом формирование потока заканчивается, и кривая скоростей принимает обычную для ламинарного режима параболическую форму.
Переход от ламинарного течения к турбулентному
Ламинарное течения жидкости при некоторых условиях способно перейти в турбулентное. При повышении скорости течения потока слоистая структура потока начинает разрушаться, появляются волны и вихри, распространение которых в потоке говорит о нарастающем возмущении.
Постепенно количество вихрей начинает возрастать, и возрастает пока струйка не разобьется на множество перемешивающихся между собой более мелких струек.
Хаотичное движение таких мелких струек позволяет говорить о начале перехода ламинарного режима течения в турбулентное. С увеличением скорости ламинарное течение теряет свою устойчивость, при этом любые случайные небольшие возмущения, которые раньше вызывали только лишь малые колебания, начинают быстро развиваться.
Видео о ламинарном течении
В бытовом случае переход одного режима течения в другой можно отследить на примере струи дыма. Сначала частицы движутся практически параллельно по неизменяемым во времени траекториям. Дым практически неподвижен. Со временем в некоторых местах вдруг возникают крупные вихри, которые двигаются по хаотичным траекториям. Эти вихри распадаются на более маленькие, те – на еще более мелкие и так далее. В конце концов, дым практически смешивается с окружающим воздухом.
Ламина́рное тече́ние (лат. lāmina — «пластинка») — течение, при котором жидкость или газ перемещается слоями без перемешивания и пульсаций (то есть беспорядочных быстрых изменений скорости и давления.
Хотя мне кажется тут есть еще какой то эффект (возможно особенность съемки), который дает картинку как бы замерзшей струи воды. Так ли это?
Ламинарное течение жидкости наблюдается при небольших скоростях ее движения. Внешний слой жидкости, примыкающий к поверхности трубы, в которой она течет, из-за сил молекулярного сцепления прилипает к ней и остается неподвижным. Скорости последующих слоев тем больше, чем больше их расстояние до поверхности трубы, и наибольшей скоростью обладает слой, движущийся вдоль оси трубы.
Ламинарное течение наблюдается у очень вязких жидкостей или при течениях, происходящих с достаточно малыми скоростями, а также при медленном обтекании очень вязкой жидкостью тел малых размеров. С увеличением скорости движения данной жидкости (газа) ламинарное течение переходит в турбулентное течение. Режим течения жидкости характеризуется Рейнольдса числом Re = rvI/m
Posts from This Journal by “Интересно” Tag
Некоторые думают, что эти народные названия денег появились в лихие 90-е, но это вовсе не так. Удивительно, но так называли деньги еще во…
Точно помню, что много раз слышал о том, что «настоящая фамилия Гитлера Шикельгрубер, а «Гитлер» это псевдоним типа Ленина. На…
Интересная новость. Оказыватеся Минпросвещения разработало проект новых правил русского языка. Он должен закрепить свод правил языка, отвечающий…
Информация об этом журнале
Как лично я это воспринимаю (возможны ошибки в моих рассуждениях).
Рассмотрм потоки воды солидных диаметров, так чтобы поверхностное натяжение не влияло на процессы.
Тот же процесс идет при истечении воды в атмосферу из насадки шланга. При взаимодействии струи воды с воздухом размер самых мельчайших неровностей на поверхности струи воды начнет увеличиваться. И все это будет нарастать до тех пор, пока струя не разобьется на отдельные капли.
То есть. Если мы хотим, чтобы струя воды била очень далеко, нам нужно, чтобы струя в момент выхода из сопла вытекала как можно «идеальнее»: с гладкой поверхностью, без колебаний и завихрений. Понятно, что какие-то «неидеальности» все равно будут, и начнут увеличиваться по мере удаления от сопла. Но это хоть попозже (на большем удалении от сопла) произойдет.
Тогда, на вход в сопло нам желательно подать ламинарный поток воды.
Для круглой трубы: Число Рейнольдса Re = диаметр_трубы * скорость / кинематическую_вязкость
Для случая трубы с очень гладкими стенками. Если Re 3000, то течение в трубе постепенно станет турбулентным, даже если было до этого ламинарным. 2000 Edited at 2016-09-26 10:04 am (UTC)
Отвлечемся немного от предыдущих записей, да, я помню что обещал рассказать подробно про очистку фильтров, однако, текст мне видится длинным, потому предлагаю сегодня обсудить ламинарные потоки, тем более что это довольно красивая тема, ну а в следующих уж точно будут фильтры.
Когда жидкость или газ течет равномерно и без турбулентности, это называется “ламинарный поток”. Наиболее наглядным примером ламинарного потока для большинства из нас будут дугообразные потоки воды в фонтане, когда массой кристально чистой воды выстреливают, как пулей, и она изящно летит рассекая воздух из одной точки в другую.
Домен самарского производителя фонтанов здесь возможен
Когда я впервые увидел этот эффект в рекламном ролике парка Disney World много лет назад, я был уверен, что они добавили что-то к воде (может, глицерин?). Теперь я знаю, что все это делается путем создания ламинарного потока. Наиболее удивителен даже не сам полет воды в воздухе, а то, что нет никаких брызг, когда вода приземляется на другом конце. В промышленном клининге, отсутствие всплесков и летящих во все стороны брызг, может стать значительным доводом в пользу применения ламинарного потока. Давайте копать немного глубже.
Кстати, просто для удовольствия, попробуйте выполнить описанное выше при помощи садового шланга. Ламинарный поток в трубе или патрубке означает, что вся жидкость однородной массы и все ее частицы движутся с одинаковой скоростью в одном направлении.
Верхний рисунок показывает ламинарный поток через трубку или трубки. Обратите внимание, что поток прямой и равномерный, как в трубке, так и после выхода. А на нижнем рисунке образубтся турбулентные течения в результате неравномерного стока и шероховатой поверхности.
Ламинарный поток возможен не только в трубах или после них, но и практически в любом ограниченном пространстве, таком как – цисцерны, трубопроводы, печи, и т.п. Ламинарный поток является важным дополнением в нескольких направлениях промышленного клининга. Например, он очень важен там, где необходим эффективный обмен воды и важно свести к минимуму ее потребление. В клининге, ламинарный поток может уносить загрязнения с места очистки, туда где они могут быть эффективно собраны путем фильтрации и утилизированы в другом, еще более удобном месте. В случае очистки помещений, ламинарный поток воздуха позволяет продуть всю комнату, избавив ее от возможных примесей и газов. Давление и скорость — главные враги ламинарного потока в жидкостях и газах. Даже незначительные дефекты поверхностей, содержащих поток, могут привести к турбулентности в случае давления и высокой скорости в трубе. Поэтому очень важны гладкие стенки патрубков. Трубопроводы и трубки должны быть как можно более линейными. Насадки и вентиляторы перед местом где нужен ламинарный поток, абсолютно противопоказаны. При Линеаризации потока, как правило, требуется устройство для его выпрямления. В случае газа, ламинарный поток может быть получен путем пропускания газа через серию параллельных трубочек. Важно при генерировании ламинарного потока убедиться, что он правильно получен. Любое препятствие для потока создаст турбулентность.
В случае жидкостей существует ряд схем для получения ламинарного потока. В клининге, ламинарный поток обычно требуется в резервуаре. Использование только сопел (независимо от того, сколько их) не позволит выполнить эту работу. Успешное создание ламинарного потока может быть достигнуто с помощью пористого металла, или пластинки из металла или пластика внутри потока. В любом случае, вся боковая стенка должна составлять источник, а не только небольшое окно. Объем жидкости удаленнной из резервуара, должен совпадать с объемом жидкости введенной в резервуар, так можно избежать появления турбулентности.
При проектировании моечных машин, ламинарный поток это не то что следует оставлять без внимания или к чему следует подходить без хорошего понимания принципов механики, участвующей в процессах. Это, немного сложнее, чем кажется, и полностью противоречит здравому смыслу, но, при правильном использовании, может быть очень эффективным инструментом.
.
masterok
