Ламинарен режим на движение на течности. Ефект на светлината на операционната зала върху ламинарен въздушен поток в операционна зала Ламинарен поток в чисти стаи

Ламинарен е въздушен поток, при който въздушните потоци се движат в една посока и са успоредни една на друга. Когато скоростта се увеличи до определена стойност, потоците от въздушен поток, освен транслационна скорост, придобиват и бързо променящи се скорости, перпендикулярни на посоката на транслационното движение. Образува се течение, което се нарича турбулентно, т.е. безпорядъчно.

Граничен слой

Граничният слой е слой, в който скоростта на въздуха се променя от нула до стойност, близка до скоростта на местния въздушен поток.

Когато въздушен поток тече около тяло (фиг. 5), въздушните частици не се плъзгат по повърхността на тялото, а се забавят и скоростта на въздуха на повърхността на тялото става нула. При отдалечаване от повърхността на тялото скоростта на въздуха се увеличава от нула до скоростта на въздушния поток.

Дебелината на граничния слой се измерва в милиметри и зависи от вискозитета и налягането на въздуха, профила на тялото, състоянието на повърхността му и положението на тялото във въздушния поток. Дебелината на граничния слой постепенно се увеличава от предния към задния ръб. В граничния слой характерът на движението на въздушните частици се различава от характера на движението извън него.

Нека разгледаме въздушна частица A (фиг. 6), която се намира между потоци въздух със скорости U1 и U2, поради разликата в тези скорости, приложена към противоположни точки на частицата, тя се върти и колкото по-близо е тази частица до повърхността на тялото, толкова повече се върти (където разликата в скоростите е най-висока). При отдалечаване от повърхността на тялото въртеливото движение на частицата се забавя и става равно на нула поради равенството на скоростта на въздушния поток и скоростта на въздуха на граничния слой.

Зад тялото граничният слой се превръща в двупоточна струя, която се размива и изчезва при отдалечаване от тялото. Турбуленцията в следата пада върху опашката на самолета и намалява ефективността му и причинява треперене (феномен на блъскане).

Граничният слой се дели на ламинарен и турбулентен (фиг. 7). При постоянен ламинарен поток на граничния слой се появяват само вътрешни сили на триене, дължащи се на вискозитета на въздуха, така че съпротивлението на въздуха в ламинарния слой е ниско.

Ориз. 5

Ориз. 6 Въздушен поток около тяло - забавяне на потока в граничния слой

Ориз. 7

В турбулентния граничен слой има непрекъснато движение на въздушните потоци във всички посоки, което изисква повече енергия за поддържане на произволно вихрово движение и като следствие от това създава по-голямо съпротивление на въздушния поток към движещото се тяло.

За определяне на характера на граничния слой се използва коефициентът Cf. Тяло с определена конфигурация има свой собствен коефициент. Така например за плоска плоча коефициентът на съпротивление на ламинарния граничен слой е равен на:

за турбулентен слой

където Re е числото на Рейнолдс, изразяващо отношението на инерционните сили към силите на триене и определящо съотношението на два компонента - профилно съпротивление (съпротивление на формата) и съпротивление на триене. Числото на Рейнолдс Re се определя по формулата:

където V е скоростта на въздушния поток,

I - естеството на размера на тялото,

кинетичен коефициент на вискозитет на въздушните сили на триене.

Когато въздушен поток тече около тяло, в определена точка граничният слой преминава от ламинарен към турбулентен. Тази точка се нарича точка на преход. Разположението му върху повърхността на профила на тялото зависи от вискозитета и налягането на въздуха, скоростта на въздушните потоци, формата на тялото и положението му във въздушния поток, както и грапавостта на повърхността. Когато създават профили на крилата, дизайнерите се стремят да поставят тази точка възможно най-далеч от предния ръб на профила, като по този начин намаляват съпротивлението при триене. За тази цел се използват специални ламинирани профили за увеличаване на гладкостта на повърхността на крилото и редица други мерки.

Когато скоростта на въздушния поток се увеличи или ъгълът на положение на тялото спрямо въздушния поток се увеличи до определена стойност, в определена точка граничният слой се отделя от повърхността и налягането зад тази точка рязко намалява.

В резултат на факта, че в задния ръб на тялото налягането е по-голямо, отколкото зад точката на разделяне, възниква обратен поток на въздуха от зона с по-високо налягане към зона с по-ниско налягане до точката на разделяне, което води до разделяне на въздушния поток от повърхността на тялото (фиг. 8).

Ламинарният граничен слой се отделя по-лесно от повърхността на тялото, отколкото турбулентният граничен слой.

Уравнение за непрекъснатост на въздушния поток

Уравнението на непрекъснатостта на струята на въздушния поток (постоянството на въздушния поток) е уравнение на аеродинамиката, което следва от основните закони на физиката - запазване на масата и инерцията - и установява връзката между плътността, скоростта и площта на напречното сечение на струя въздушен поток.

Ориз. 8

Ориз. 9

При разглеждането му се приема условието, че изследваният въздух не притежава свойството свиваемост (фиг. 9).

В поток с променливо напречно сечение, втори обем въздух преминава през секция I за определен период от време, този обем е равен на произведението на скоростта на въздушния поток и напречното сечение F.

Вторият масов въздушен поток m е равен на произведението от втория въздушен поток и плътността p на въздушния поток на потока. Съгласно закона за запазване на енергията, масата на въздушния поток m1, преминаващ през секция I (F1), е равна на масата m2 на дадения поток, протичащ през секция II (F2), при условие че въздушният поток е постоянен:

m1=m2=const, (1.7)

m1F1V1=m2F2V2=конст. (1,8)

Този израз се нарича уравнение на непрекъснатостта на въздушния поток на потока.

F1V1=F2V2= конст. (1,9)

И така, от формулата става ясно, че един и същ обем въздух преминава през различни участъци от потока за определена единица време (секунда), но с различни скорости.

Нека запишем уравнение (1.9) в следния вид:

Формулата показва, че скоростта на въздушния поток на струята е обратно пропорционална на площта на напречното сечение на струята и обратно.

По този начин уравнението за непрекъснатост на въздушния поток установява връзката между напречното сечение на струята и скоростта, при условие че въздушният поток на струята е постоянен.

Уравнение на Бернули за статично налягане и напор на скоростта

аеродинамика на самолета

Самолет, намиращ се в неподвижен или движещ се въздушен поток спрямо него, изпитва натиск от последния, в първия случай (когато въздушният поток е неподвижен) това е статично налягане, а във втория случай (когато въздушният поток се движи) е динамично налягане, по-често се нарича високоскоростно налягане. Статичното налягане в потока е подобно на налягането на течност в покой (вода, газ). Например: вода в тръба, тя може да бъде в покой или в движение, и в двата случая стените на тръбата са под налягане от водата. В случай на движение на водата налягането ще бъде малко по-малко, тъй като се е появило високоскоростно налягане.

Съгласно закона за запазване на енергията енергията на въздушния поток в различни секции на въздушния поток е сумата от кинетичната енергия на потока, потенциалната енергия на силите на налягане, вътрешната енергия на потока и енергията на позицията на тялото. Тази сума е постоянна стойност:

Ekin+Er+Evn+En=sopst (1.10)

Кинетичната енергия (Ekin) е способността на движещ се въздушен поток да извършва работа. То е равно

където m е въздушна маса, kgf s2m; V-скорост на въздушния поток, m/s. Ако заместим плътността на въздушната маса p вместо масата m, получаваме формула за определяне на налягането на скоростта q (в kgf/m2)

Потенциалната енергия Ep е способността на въздушния поток да извършва работа под въздействието на сили на статично налягане. Равно е (в kgf-m)

където P е налягането на въздуха, kgf / m2; F е площта на напречното сечение на въздушния поток, m2; S е пътят, изминат от 1 kg въздух през даден участък, m; продуктът SF се нарича специфичен обем и се обозначава с v. Замествайки стойността на специфичния обем въздух във формула (1.13), получаваме

Вътрешната енергия Evn е способността на газа да извършва работа, когато температурата му се променя:

където Cv е топлинният капацитет на въздуха при постоянен обем, cal/kg-deg; Т-температура по скалата на Келвин, K; А - топлинен еквивалент механична работа(кал-кг-м).

От уравнението става ясно, че вътрешната енергия на въздушния поток е правопропорционална на неговата температура.

Позиционна енергия En е способността на въздуха да извършва работа, когато позицията на центъра на тежестта на дадена маса въздух се променя при издигане до определена височина и е равна на

където h е промяната във височината, m.

Поради незначително малките стойности на разделянето на центровете на тежестта на въздушните маси по височина в поток от въздушен поток, тази енергия се пренебрегва в аеродинамиката.

Като се имат предвид всички видове енергия във връзка с определени условия, можем да формулираме закона на Бернули, който установява връзка между статичното налягане в поток от въздушен поток и налягането на скоростта.

Нека разгледаме тръба (фиг. 10) с променлив диаметър (1, 2, 3), в която се движи въздушният поток. За измерване на налягането в разглежданите секции се използват манометри. Анализирайки показанията на манометрите, можем да заключим, че най-ниското динамично налягане се показва от манометър със секция 3-3. Това означава, че когато тръбата се стеснява, скоростта на въздушния поток се увеличава и налягането пада.

Ориз. 10

Причината за спада на налягането е, че въздушният поток не произвежда никаква работа (триенето не се взема предвид) и следователно общата енергия на въздушния поток остава постоянна. Ако приемем, че температурата, плътността и обемът на въздушния поток в различните сечения са постоянни (T1=T2=T3;р1=р2=р3, V1=V2=V3), тогава вътрешната енергия може да се пренебрегне.

Това означава, че в този случай е възможно кинетичната енергия на въздушния поток да се трансформира в потенциална енергия и обратно.

Когато скоростта на въздушния поток се увеличи, налягането на скоростта и съответно кинетичната енергия на този въздушен поток също се увеличава.

Нека заместим стойностите от формули (1.11), (1.12), (1.13), (1.14), (1.15) във формула (1.10), като вземем предвид, че пренебрегваме вътрешната енергия и позиционната енергия, трансформирайки уравнението ( 1.10), получаваме

Това уравнение за всяко напречно сечение на въздушен поток се записва, както следва:

Този тип уравнение е най-простото математическо уравнение на Бернули и показва, че сумата от статични и динамични налягания за всяка секция на поток от постоянен въздушен поток е постоянна стойност. Свиваемостта в този случай не се взема предвид. При отчитане на свиваемостта се правят съответните корекции.

За да илюстрирате закона на Бернули, можете да проведете експеримент. Вземете два листа хартия, като ги държите успоредни един на друг на малко разстояние, и духайте в празнината между тях.

Ориз. единадесет

Чаршафите се приближават. Причината за тяхното сближаване е, че от външната страна на листовете налягането е атмосферно, а в интервала между тях, поради наличието на високоскоростно въздушно налягане, налягането намалява и става по-малко от атмосферното. Под въздействието на разликите в налягането листовете хартия се огъват навътре.

Вятърни тунели

Експериментална установка за изследване на явленията и процесите, съпътстващи обтичането на газове около телата, се нарича аеродинамичен тунел. Принципът на действие на аеродинамичните тунели се основава на принципа на относителността на Галилей: вместо движението на тяло в неподвижна среда се изследва обтичането на газ около неподвижно тяло . аеродинамични силии моменти, изследва се разпределението на налягането и температурата по повърхността му, наблюдава се моделът на обтичане на тялото, изучава се аероеластичността и др.

Аеродинамичните тунели, в зависимост от диапазона на числата на Мах M, се разделят на дозвукови (M = 0,15-0,7), трансзвукови (M = 0,7-13), свръхзвукови (M = 1,3-5) и хиперзвукови (M = 5-25 ), според принципа на работа - на компресор (непрекъснато действие), при който въздушният поток се създава от специален компресор, а балони с повишено налягане, според схемата на веригата - на затворени и отворени.

Компресорните тръби имат висока ефективност, те са удобни за използване, но изискват създаването на уникални компресори с висок дебит на газ и висока мощност. Аеродинамичните тунели с балон са по-малко икономични от аеродинамичните тунели с компресор, тъй като при дроселирането на газа се губи част от енергията. В допълнение, продължителността на работа на аеродинамичните тунели с балон е ограничена от запасите от газ в резервоарите и варира от десетки секунди до няколко минути за различни аеродинамични тунели.

Широкото използване на аеродинамичните тунели с балони се дължи на факта, че те са по-опростени като конструкция и необходимата мощност на компресора за пълнене на балоните е сравнително малка. Аеродинамичните тунели със затворен цикъл използват значителна част от кинетичната енергия, оставаща в газовия поток, след като той премине през работната зона, повишавайки ефективността на тръбата. В този случай обаче е необходимо да се увеличат габаритните размери на инсталацията.

В дозвукови аеродинамични тунели се изучават аеродинамичните характеристики на дозвуковия хеликоптер, както и характеристиките на свръхзвуковия самолет в режим на излитане и кацане. Освен това те се използват за изследване на потока около автомобили и други наземни превозни средства. Превозно средство, сгради, паметници, мостове и други обекти Фигурата показва диаграма на дозвуков аеродинамичен тунел със затворен контур.

Ориз. 12

1 - пчелна пита 2 - решетки 3 - предкамера 4 - конфузор 5 - посока на потока 6 - работна част с модела 7 - дифузьор, 8 - коляно с въртящи се лопатки, 9 - компресор 10 - въздушен охладител

Ориз. 13

1 - пчелна пита 2 - решетки 3 - предкамера 4 конфузор 5 перфорирана работна част с модел 6 ежектор 7 дифузьор 8 коляно с направляващи лопатки 9 изпускателна тръба 10 - подаване на въздух от цилиндри

Ориз. 14

1 - цилиндър за сгъстен въздух 2 - тръбопровод 3 - регулиращ дросел 4 - нивелиращи решетки 5 - пчелна пита 6 - детурбулизиращи решетки 7 - предкамера 8 - конфузор 9 - свръхзвукова дюза 10 - работна част с модел 11 - свръхзвуков дифузор 12 - дозвуков дифузор 13 - атмосферен освобождаване

Ориз. 15

1 - цилиндър за високо налягане 2 - тръбопровод 3 - управляващ дросел 4 - нагревател 5 - предкамера с пчелна пита и решетки 6 - хиперзвукова осесиметрична дюза 7 - работна част с модел 8 - хиперзвуков осесиметричен дифузор 9 - въздушен охладител 10 - посока на потока 11 - подаване на въздух в ежектори 12 - ежектори 13 - щори 14 - вакуумен резервоар 15 - дозвуков дифузьор

Когато флуид тече през затворен канал, като например тръба или между две плоски плочи, може да възникне един от двата вида поток в зависимост от скоростта и вискозитета на флуида: ламинарен поток или турбулентен поток. Ламинарният поток се появява при по-ниски скорости, под прага, при който става турбулентен. Турбулентният поток е по-малко подреден режим на потока, който се характеризира с вихри или малки пакети от течни частици, които водят до странично смесване. В ненаучен термин ламинарен поток е гладка, докато турбулентният поток е груб .

Връзка с числото на Рейнолдс

Типът поток, възникващ във флуид в канал, е важен при проблеми с динамиката на флуидите и след това се влияе от преноса на топлина и маса във флуидните системи. Безразмерното число на Рейнолдс е важен параметър в уравненията, които описват дали напълно развитите условия на поток водят до ламинарен или турбулентен поток. Числото на Рейнолдс е съотношението на инерционната сила към силата на срязване на флуид: колко бързо се движи флуидът спрямо това колко е вискозен, независимо от мащаба на флуидната система. Ламинарният поток обикновено възниква, когато течността се движи бавно или течността е много вискозна. Чрез увеличаване на числото на Рейнолдс, например чрез увеличаване на скоростта на потока на флуид, потокът ще премине от ламинарен към турбулентен поток в рамките на определен диапазон от числата на Рейнолдс в диапазона на ламинарен-турбулентен преход в зависимост от малките нива на смущения във флуида или несъвършенства в поточната система. Ако числото на Рейнолдс е много малко, много по-малко от 1, тогава течността ще проявява Стоксово или пълзящо течение, при което вискозната сила на течността е доминирана от инерционните сили.

Специфичното изчисление на числото на Рейнолдс и стойността, при която възниква ламинарен поток, ще зависи от геометрията на системата на потока и структурата на потока. Общ пример за поток през тръба, където числото на Рейнолдс е дадено от

За такива системи ламинарен поток възниква, когато числото на Рейнолдс е под критична стойност от приблизително 2040, въпреки че диапазонът на прехода обикновено е между 1800 и 2100.

За хидравлични системислучващи се на външни повърхности, като например потоци около обекти, суспендирани във течност, други дефиниции за числата на Рейнолдс могат да се използват за прогнозиране на типа поток около обект. Числото на Рейнолдс на частиците Re p ще се използва например за частици, суспендирани във флуидна течност. Както при потока в тръбите, ламинарният поток обикновено възниква при по-ниски числа на Рейнолдс, докато турбулентният поток и свързаните с него явления, като вихри, се появяват при по-високи числа на Рейнолдс.

Примери

Често срещано приложение на ламинарния поток е плавното протичане на вискозна течност през тръба или тръба. В този случай скоростта на потока се променя от нула по стените на максимума по протежение на центъра на напречното сечение на съда. Профилът на потока на ламинарен поток в тръба може да се изчисли чрез разделяне на потока на тънки цилиндрични елементи и прилагане на вискозна сила към тях.

Друг пример би бил потокът въздух над крилото на самолет. Граничният слой е много тънък слой въздух, разположен върху повърхността на крилото (и всички други повърхности на самолета). Тъй като въздухът има вискозитет, този слой въздух има тенденция да се придържа към крилото. Докато крилото се движи напред във въздуха, граничният слой първо преминава плавно върху аеродинамичната форма на аеродинамичния профил. Тук потокът е ламинарен и граничният слой е ламинарен слой. Prandtl прилага концепцията за ламинарен граничен слой към аеродинамични повърхности през 1904 г.

бариери за ламинарен поток

Ламинарният въздушен поток се използва за разделяне на въздушни обеми или за предотвратяване на навлизането на замърсители във въздуха в дадена зона. Аспираторите с ламинарен поток се използват за елиминиране на замърсяване от чувствителни процеси в науката, електрониката и медицината. Въздушните завеси често се използват в търговски условия, за да позволят на нагрятия или охладения въздух да тече през вратите. Реактор с ламинарен поток (LFR) е реактор, който използва ламинарен поток за изследване на химични реакции и механизми на процеса.

Има два различни форми, два режима на флуиден поток: ламинарен и турбулентен поток. Потокът се нарича ламинарен (слоест), ако по протежение на потока всеки избран тънък слой се плъзга спрямо съседите си, без да се смесва с тях, и турбулентен (вихров), ако по протежение на потока се получава интензивно образуване на вихри и смесване на течността (газа).

Ламинаренпотокът от течност се наблюдава при ниски скорости на нейното движение. При ламинарен поток траекториите на всички частици са успоредни и формата им следва границите на потока. В кръгла тръба, например, течността се движи в цилиндрични слоеве, чиито образуващи са успоредни на стените и оста на тръбата. В правоъгълен канал с безкрайна ширина течността се движи на слоеве, успоредни на дъното му. Във всяка точка на потока скоростта остава постоянна по посока. Ако скоростта не се променя с времето и величината, движението се нарича стабилно. При ламинарно движение в тръба диаграмата на разпределение на скоростта в напречното сечение има формата на парабола с максимална скорост по оста на тръбата и нулева стойност по стените, където се образува полепнал слой течност. Външният слой течност, съседен на повърхността на тръбата, в която тече, се прилепва към нея поради молекулярните адхезионни сили и остава неподвижен. Колкото по-голямо е разстоянието от следващите слоеве до повърхността на тръбата, толкова по-голяма е скоростта на следващите слоеве и слоят, движещ се по оста на тръбата, има най-висока скорост. Профилът на средната скорост на турбулентния поток в тръбите (фиг. 53) се различава от параболичния профил на съответния ламинарен поток с по-бързо увеличаване на скоростта v.

Фигура 9Профили (диаграми) на ламинарни и турбулентни флуидни потоци в тръби

Средната стойност на скоростта в напречното сечение на кръгла тръба при постоянен ламинарен поток се определя от закона на Хаген-Поазей:

(8)

където p 1 и p 2 са налягането в две напречни сечения на тръбата, разположени на разстояние Δx; r - радиус на тръбата; η - коефициент на вискозитет.

Законът на Хаген-Поазей може лесно да бъде проверен. Оказва се, че за обикновени течности е валидно само при ниски дебити или малки размери на тръбите. По-точно, законът на Хаген-Поазей се изпълнява само при малки стойности на числото на Рейнолдс:

(9)

където υ - Средната скороств напречното сечение на тръбата; л- характерен размер, в случая - диаметър на тръбата; ν е коефициентът на кинематичен вискозитет.

Английският учен Осборн Рейнолдс (1842 - 1912) през 1883 г. провежда експеримент по следната схема: на входа на тръбата, през която тече равномерен поток течност, се поставя тънка тръба, така че отворът й да е на оста на тръбата. Боята се подава през тръба в течния поток. Докато съществуваше ламинарен поток, боята се движеше приблизително по оста на тръбата под формата на тънка, рязко ограничена ивица. След това, започвайки от определена стойност на скоростта, която Рейнолдс нарича критична, на лентата възникват вълнови смущения и отделни бързо затихващи вихри. С увеличаване на скоростта броят им ставаше все по-голям и те започваха да се развиват. При определена скорост лентата се разпада на отделни вихри, които се разпространяват по цялата дебелина на течния поток, причинявайки интензивно смесване и оцветяване на цялата течност. Това течение се наричаше бурен .

Започвайки от критична стойност на скоростта, законът на Hagen-Poiseuille също беше нарушен. Повтаряйки експерименти с тръби с различни диаметри и с различни течности, Рейнолдс откри, че критичната скорост, при която се нарушава успоредността на векторите на скоростта на потока, варира в зависимост от размера на потока и вискозитета на течността, но винаги по такъв начин че безразмерното число
приема определена постоянна стойност в областта на прехода от ламинарен към турбулентен поток.

Английският учен О. Рейнолдс (1842 - 1912) доказва, че природата на потока зависи от безразмерна величина, наречена число на Рейнолдс:

(10)

където ν = η/ρ - кинематичен вискозитет, ρ - плътност на течността, υ av - средна скорост на течността по напречното сечение на тръбата, л- характерен линеен размер, например диаметър на тръбата.

По този начин до определена стойност на числото Re има стабилен ламинарен поток, а след това в определен диапазон от стойности на това число ламинарният поток престава да бъде стабилен и индивидуални, повече или по-малко бързо затихващи смущения възникват в поток. Рейнолдс нарече тези числа критични Re cr. Тъй като числото на Рейнолдс нараства допълнително, движението става турбулентно. Районът на критичните стойности на Re обикновено е между 1500-2500. Трябва да се отбележи, че стойността на Re cr се влияе от естеството на входа на тръбата и степента на грапавост на нейните стени. При много гладки стени и особено гладък вход в тръбата, критичната стойност на числото на Рейнолдс може да бъде повишена до 20 000 и ако входът на тръбата има остри ръбове, грапавини и т.н. или стените на тръбата са грапави, Re стойността на cr може да падне до 800-1000.

При турбулентен поток частиците на течността придобиват компоненти на скоростта, перпендикулярни на потока, така че да могат да се движат от един слой в друг. Скоростта на течните частици се увеличава бързо, докато се отдалечават от повърхността на тръбата, след което се променя съвсем леко. Тъй като течните частици се движат от един слой в друг, техните скорости в различните слоеве се различават малко. Поради големия градиент на скоростта на повърхността на тръбата обикновено се образуват вихри.

Турбулентният поток от течности е най-често срещан в природата и техниката. Приток на въздух. атмосферата, водата в моретата и реките, в каналите, в тръбите винаги е бурна. В природата ламинарното движение възниква, когато водата се филтрира през тънките пори на финозърнестите почви.

Изследването на турбулентния поток и изграждането на неговата теория е изключително сложно. Експерименталните и математически трудности на тези изследвания досега са били преодолени само частично. Следователно редица практически важни проблеми (течението на водата в канали и реки, движението на самолет с даден профил във въздуха и т.н.) трябва да бъдат решени приблизително или чрез тестване на съответните модели в специални хидродинамични тръби. За преминаване от резултатите, получени върху модела, към явлението в природата се използва т. нар. теория на подобието. Числото на Рейнолдс е един от основните критерии за сходство на потока на вискозна течност. Следователно дефинирането му е практически много важно. В тази работа се наблюдава преход от ламинарен поток към турбулентен поток и се определят няколко стойности на числото на Рейнолдс: в областта на ламинарен поток, в преходната област (критичен поток) и в турбулентен поток.

Съответствие на белия дробколичествено характеризира разтегливостта на белодробната тъкан по всяко време на промяна в техния обем по време на фазите на вдишване и издишване. Следователно разтегливостта е статична характеристика на еластичните свойства на белодробната тъкан. По време на дишането обаче възниква съпротивление на движението на апарата за външно дишане, което определя неговите динамични характеристики, сред които най-важна е съпротивапотокът въздух, докато се движи през дихателните пътища на белите дробове.

Движението на въздуха от външната среда през дихателните пътища към алвеолите и в обратната посока се влияе от градиента на налягането: в този случай въздухът се движи от зоната високо наляганев зона с ниско налягане. При вдишване налягането на въздуха в алвеоларното пространство е по-малко от атмосферното налягане, а при издишване е обратното. Съпротива респираторен тракт въздушно течениезависи от градиента на налягането между устната кухина и алвеоларното пространство.

Въздушно течениепрез дихателните пътища може да бъде ламинарен, бурени преходни между тези типове. Въздухът се движи в дихателните пътища главно в ламинарен поток, чиято скорост е по-висока в центъра на тези тръби и по-ниска близо до стените им. При ламинарен въздушен поток неговата скорост зависи линейно от градиента на налягането по протежение на дихателните пътища. В точките на разделяне на дихателните пътища (бифуркация) ламинарният въздушен поток става турбулентен. Когато възникне турбулентен поток в дихателните пътища, се появява шум при дишане, който може да се чуе в белите дробове със стетоскоп. Съпротивлението на ламинарен газов поток в тръба се определя от нейния диаметър. Следователно, според закона на Поазей, съпротивлението на дихателните пътища на въздушния поток е пропорционално на техния диаметър, повишен на четвърта степен. Тъй като съпротивлението на дихателните пътища е обратно пропорционално на техния диаметър на четвърта степен, този показател най-съществено зависи от промените в диаметъра на дихателните пътища, причинени, например, от освобождаването на слуз от лигавицата или стесняването на лумена на бронхите. Общият диаметър на напречното сечение на дихателните пътища се увеличава в посока от трахеята към периферията на белия дроб и става най-голям в крайните дихателни пътища, което води до рязко намаляване на съпротивлението на въздушния поток и неговата скорост в тези части на белите дробове. . Така линейната скорост на потока на вдишания въздух в трахеята и главните бронхи е приблизително 100 cm/s. На границата на въздухопроводната и преходната зона на дихателните пътища линейната скорост на въздушния поток е около 1 cm/s, в респираторните бронхи тя намалява до 0,2 cm/s, а в алвеоларните канали и торбички - до 0,02 cm/s. Такава ниска скорост на въздушния поток в алвеоларните канали и торбички причинява незначителни съпротивадвижещ се въздух и не е съпроводено със значителен разход на енергия от мускулна контракция.

Напротив, най-великият съпротивление на дихателните пътища въздушно течениевъзниква на нивото на сегментните бронхи поради наличието в тяхната лигавица на секреторен епител и добре развит гладкомускулен слой, т.е. фактори, които влияят най-много както на диаметъра на дихателните пътища, така и на съпротивлението на въздушния поток в тях. Една от функциите на дихателните мускули е да преодоляват това съпротивление.

Изучаването на свойствата на течните и газовите потоци е много важно за индустрията и комунални услуги. Ламинарният и турбулентният поток влияе върху скоростта на транспортиране на вода, нефт и природен газ през тръбопроводи за различни цели и влияе върху други параметри. С тези проблеми се занимава науката хидродинамика.

Класификация

В научната общност режимите на протичане на течности и газове се разделят на два напълно различни класа:

• ламинарен (струен);
• бурен.

Разграничава се и преходен етап. Между другото, терминът "течност" има широко значение: може да бъде несвиваем (това всъщност е течност), свиваем (газ), проводим и т.н.

Заден план

Още през 1880 г. Менделеев изрази идеята за съществуването на два противоположни режима на потока. Британският физик и инженер Осбърн Рейнолдс изучава този въпрос по-подробно, завършвайки изследването си през 1883 г. Първо практически, а след това с помощта на формули, той установи, че при ниски скорости на потока движението на течности придобива ламинарна форма: слоевете (потоци от частици) почти не се смесват и се движат по успоредни траектории. Но след преодоляване на определена критична стойност (тя е различна за различните условия), наречена число на Рейнолдс, режимите на флуидния поток се променят: струйното течение става хаотично, вихрово - т.е. турбулентно. Както се оказа, тези параметри до известна степен са характерни и за газовете.

Практическите изчисления на английския учен показват, че поведението например на водата силно зависи от формата и размера на резервоара (тръба, канал, капиляр и др.), през който тече. Тръбите с кръгло напречно сечение (каквито се използват за монтаж на напорни тръбопроводи) имат собствено число на Рейнолдс - формулата се описва по следния начин: Re = 2300. За поток по отворен канал е различно: Re = 900 , При по-ниски стойности на Re, потокът ще бъде подреден, при по-високи стойности - хаотичен.

Ламинарен поток

Разликата между ламинарния поток и турбулентния поток е естеството и посоката на водните (газовите) потоци. Движат се на пластове, без смесване и без пулсации. С други думи, движението се извършва равномерно, без произволни скокове в налягането, посоката и скоростта.

Ламинарен поток от течност се образува например в тесни живи същества, капиляри на растения и, при сравними условия, по време на потока на много вискозни течности (мазут през тръбопровод). За да видите ясно струята, просто отворете леко крана - водата ще тече спокойно, равномерно, без смесване. Ако кранът е затворен докрай, налягането в системата ще се увеличи и потокът ще стане хаотичен.

Турбулентен поток

За разлика от ламинарния поток, при който близките частици се движат по почти успоредни траектории, турбулентният флуиден поток е нарушен. Ако използваме подхода на Лагранж, тогава траекториите на частиците могат да се пресичат произволно и да се държат доста непредсказуемо. Движенията на течности и газове при тези условия винаги са нестационарни и параметрите на тези нестационарности могат да имат много широк диапазон.

Как ламинарният режим на газовия поток се превръща в турбулентен може да се проследи на примера на поток от дим от горяща цигара в неподвижен въздух. Първоначално частиците се движат почти успоредно по траектории, които не се променят във времето. Димът изглежда неподвижен. Тогава на някое място внезапно се появяват големи водовъртежи, които се движат напълно хаотично. Тези вихри се разпадат на по-малки, тези на още по-малки и т.н. В крайна сметка димът практически се смесва с околния въздух.

Цикли на турбулентност

Примерът, описан по-горе, е учебник и от наблюдението му учените са направили следните заключения:

1. Ламинарният и турбулентният поток са вероятностни по природа: преходът от един режим към друг не се случва на точно определено място, а на доста произволно, произволно място.
2. Първо се появяват големи вихри, чийто размер е по-голям от размера на поток от дим. Движението става нестабилно и силно анизотропно. Големите потоци губят стабилност и се разпадат на все по-малки. Така възниква цяла йерархия от вихри. Енергията на тяхното движение се прехвърля от големи към малки и в края на този процес изчезва - разсейването на енергия се извършва в малки мащаби.
3. Режимът на турбулентния поток е случаен по природа: един или друг вихър може да се окаже на напълно произволно, непредвидимо място.
4. Смесването на дим с околния въздух практически не се случва в ламинарни условия, но в турбулентни условия е много интензивно.
5. Въпреки факта, че граничните условия са стационарни, самата турбулентност има ясно изразен нестационарен характер - всички газодинамични параметри се променят във времето.

Има още едно важно свойство на турбулентността: тя винаги е триизмерна. Дори ако разгледаме едномерен поток в тръба или двумерен граничен слой, движението на турбулентните вихри все още се случва в посоките на трите координатни оси.

Число на Рейнолдс: формула

Преходът от ламинарност към турбулентност се характеризира с така нареченото критично число на Рейнолдс:

Re cr = (ρuL/µ) cr,

където ρ е плътността на потока, u е характеристичната скорост на потока; L е характерният размер на потока, µ е коефициентът cr - поток през тръба с кръгло напречно сечение.

Например, за поток със скорост u в тръба, L се използва, тъй като Osborne Reynolds показа, че в този случай 2300

Подобен резултат се получава в граничния слой на плочата. Разстоянието от предния ръб на плочата се приема като характерен размер и след това: 3 × 10 5

Понятие за смущение на скоростта

Ламинарният и турбулентният флуиден поток и съответно критичната стойност на числото на Рейнолдс (Re) зависят от голям брой фактори: градиент на налягането, височина на туберкулите на грапавостта, интензивност на турбулентността във външния поток, температурна разлика и др. За за удобство, тези общи фактори се наричат ​​още смущения на скоростта, тъй като имат определен ефект върху скоростта на потока. Ако това смущение е малко, то може да бъде потушено от вискозни сили, стремящи се да изравнят полето на скоростта. При големи смущения потокът може да загуби стабилност и да възникне турбуленция.

Като се има предвид, че физическият смисъл на числото на Рейнолдс е съотношението на инерционните сили и вискозните сили, смущението на потоците попада под формулата:

Re = ρuL/µ = ρu 2 /(µ×(u/L)).

Числителят съдържа удвоеното скоростно налягане, а знаменателят съдържа количество от порядъка на напрежението на триене, ако дебелината на граничния слой се приеме за L. Високоскоростният натиск има тенденция да разруши баланса, но това се противодейства. Не е ясно обаче защо (или скоростното налягане) води до промени само когато те са 1000 пъти по-големи от вискозните сили.

Изчисления и факти

Вероятно би било по-удобно да се използва смущението на скоростта, а не абсолютната скорост на потока u като характерна скорост в Recr. В този случай критичното число на Рейнолдс ще бъде от порядъка на 10, т.е. когато смущението на скоростното налягане надвишава вискозните напрежения 5 пъти, ламинарният поток на течността става турбулентен. Това определение на Re, според редица учени, добре обяснява следните експериментално потвърдени факти.

За идеално равномерен профил на скоростта върху идеално гладка повърхност, традиционно определеното число Re cr клони към безкрайност, тоест преходът към турбулентност всъщност не се наблюдава. Но числото на Рейнолдс, определено от големината на смущението на скоростта, е по-малко от критичното, което е равно на 10.

При наличието на изкуствени турбулатори, които предизвикват взрив на скорост, сравним с основната скорост, потокът става турбулентен при много по-ниски стойности на числото на Рейнолдс от Re cr, определено от абсолютната стойност на скоростта. Това дава възможност да се използва стойността на коефициента Re cr = 10, където като характерна скорост се използва абсолютната стойност на смущението на скоростта, причинено от горните причини.

Стабилност на режима на ламинарно течение в тръбопровода

Ламинарният и турбулентният поток е характерен за всички видове течности и газове при различни условия. В природата ламинарните течения са рядкост и са характерни например за тесни подземни течения в равнинни условия. Този въпрос тревожи учените много повече в контекста на практическите приложения за транспортиране на вода, нефт, газ и други технически течности по тръбопроводи.

Въпросът за стабилността на ламинарния поток е тясно свързан с изследването на смущеното движение на основния поток. Установено е, че той е изложен на т. нар. малки смущения. В зависимост от това дали избледняват или растат с течение на времето, основният поток се счита за стабилен или нестабилен.

Течение на свиваеми и несвиваеми течности

Един от факторите, влияещи върху ламинарния и турбулентния поток на течност, е нейната свиваемост. Това свойство на течността е особено важно при изследване на устойчивостта на нестационарни процеси с бърза промяна в главния поток.

Изследванията показват, че ламинарен поток от несвиваем флуид в тръби с цилиндрично напречно сечение е устойчив на относително малки осесиметрични и неосесиметрични смущения във времето и пространството.

Наскоро бяха извършени изчисления за влиянието на осесиметричните смущения върху стабилността на потока във входната част на цилиндрична тръба, където основният поток зависи от две координати. В този случай координатата по оста на тръбата се разглежда като параметър, от който зависи профилът на скоростта по радиуса на тръбата на основния поток.

Заключение

Въпреки вековете на изследване, не може да се каже, че както ламинарният, така и турбулентният поток са напълно проучени. Експерименталните изследвания на микро ниво повдигат нови въпроси, които изискват обоснована изчислителна обосновка. Естеството на изследването има и практически ползи: хиляди километри тръбопроводи за вода, нефт, газ и продукти са положени по целия свят. Колкото повече технически решения се прилагат за намаляване на турбуленцията по време на транспортиране, толкова по-ефективно ще бъде то.