Laminarinis skysčio judėjimo būdas. Operacinės šviesos poveikis laminariniam oro srautui operacinėje Laminarinis srautas švariose patalpose

Laminarinis yra oro srautas, kurio metu oro srautai juda viena kryptimi ir yra lygiagrečiai vienas kitam. Kai greitis padidėja iki tam tikros reikšmės, oro srautai, be transliacijos greičio, įgyja ir greitai besikeičiančius greičius, statmenus transliacijos judėjimo krypčiai. Susidaro srautas, vadinamas turbulentiniu, t.y. netvarkingu.

Paribio sluoksnio

Ribinis sluoksnis yra sluoksnis, kuriame oro greitis keičiasi nuo nulio iki vertės, artimos vietiniam oro srauto greičiui.

Kai aplink kūną teka oro srautas (5 pav.), oro dalelės neslysta kūno paviršiumi, o sulėtėja, o oro greitis kūno paviršiuje tampa lygus nuliui. Tolstant nuo kūno paviršiaus oro greitis didėja nuo nulio iki oro srauto greičio.

Ribinio sluoksnio storis matuojamas milimetrais ir priklauso nuo oro klampumo ir slėgio, korpuso profilio, jo paviršiaus būklės ir kūno padėties oro sraute. Ribinio sluoksnio storis palaipsniui didėja nuo priekinio iki galinio krašto. Ribiniame sluoksnyje oro dalelių judėjimo pobūdis skiriasi nuo judėjimo už jo ribų.

Panagrinėkime oro dalelę A (6 pav.), kuri yra tarp oro srautų, kurių greičiai U1 ir U2, dėl šių greičių skirtumo priešinguose dalelės taškuose ji sukasi ir kuo arčiau ši dalelė yra kūno paviršiaus, tuo labiau jis sukasi (kur greičių skirtumas yra didžiausias). Tolstant nuo kūno paviršiaus dalelės sukamasis judėjimas sulėtėja ir tampa lygus nuliui dėl oro srauto greičio ir ribinio sluoksnio oro greičio lygybės.

Už kūno esantis ribinis sluoksnis virsta lygiagrečia srove, kuri tolstant nuo kūno išsilieja ir išnyksta. Pabudimo turbulencija krenta ant orlaivio uodegos ir sumažina jo efektyvumą bei sukelia drebėjimą (bufetingo reiškinys).

Ribinis sluoksnis skirstomas į laminarinį ir turbulentinį (7 pav.). Esant pastoviam laminariniam ribinio sluoksnio srautui, atsiranda tik vidinės trinties jėgos dėl oro klampumo, todėl laminariniame sluoksnyje oro pasipriešinimas yra mažas.

Ryžiai. 5

Ryžiai. 6 Oro srautas aplink kūną – srauto lėtėjimas ribiniame sluoksnyje

Ryžiai. 7

Turbulenciniame ribiniame sluoksnyje vyksta nuolatinis oro srautų judėjimas visomis kryptimis, todėl atsitiktiniam sūkurio judėjimui palaikyti reikia daugiau energijos ir dėl to susidaro didesnis pasipriešinimas oro srautui į judantį kūną.

Ribinio sluoksnio pobūdžiui nustatyti naudojamas koeficientas Cf. Tam tikros konfigūracijos kūnas turi savo koeficientą. Taigi, pavyzdžiui, plokščios plokštės laminarinio ribinio sluoksnio atsparumo koeficientas yra lygus:

audringam sluoksniui

kur Re yra Reinoldso skaičius, išreiškiantis inercinių jėgų santykį su trinties jėgomis ir nustatantis dviejų komponentų – profilio varžos (formos pasipriešinimo) ir atsparumo trinčiai – santykį. Reinoldso skaičius Re nustatomas pagal formulę:

kur V yra oro srauto greitis,

Aš - kūno dydžio prigimtis,

kinetinis oro trinties jėgų klampos koeficientas.

Kai aplink kūną teka oro srautas, tam tikru momentu ribinis sluoksnis pereina iš laminarinio į turbulentinį. Šis taškas vadinamas perėjimo tašku. Jo vieta kėbulo profilio paviršiuje priklauso nuo oro klampumo ir slėgio, oro srautų greičio, korpuso formos ir padėties oro sraute, taip pat nuo paviršiaus šiurkštumo. Kurdami sparnų profilius, dizaineriai stengiasi, kad šis taškas būtų kuo toliau nuo priekinio profilio krašto, taip sumažinant trinties pasipriešinimą. Tam naudojami specialūs laminuoti profiliai, didinantys sparno paviršiaus glotnumą ir daugybę kitų priemonių.

Kai oro srauto greitis didėja arba kūno padėties kampas oro srauto atžvilgiu padidėja iki tam tikros vertės, tam tikru momentu ribinis sluoksnis atsiskiria nuo paviršiaus, o slėgis už šio taško smarkiai sumažėja.

Dėl to, kad užpakaliniame korpuso krašte slėgis yra didesnis nei už atskyrimo taško, vyksta atvirkštinis oro srautas iš aukštesnio slėgio zonos į mažesnio slėgio zoną į atskyrimo tašką, o tai reiškia atskyrimą. oro srauto nuo kūno paviršiaus (8 pav.).

Laminarinis ribinis sluoksnis nuo kūno paviršiaus atsiskiria lengviau nei turbulentinis ribinis sluoksnis.

Oro srauto tęstinumo lygtis

Oro srauto tęstinumo lygtis (oro srauto pastovumas) yra aerodinamikos lygtis, išplaukianti iš pagrindinių fizikos dėsnių – masės ir inercijos išsaugojimo – ir nustatanti ryšį tarp tankio, greičio ir skerspjūvio ploto. oro srauto srove.

Ryžiai. 8

Ryžiai. 9

Ją svarstant priimama sąlyga, kad tiriamas oras neturi gniuždomumo savybės (9 pav.).

Kintamo skerspjūvio sraute per tam tikrą laikotarpį I sekciją teka antrasis oro tūris, kuris lygus oro srauto greičio ir skerspjūvio F sandaugai.

Antrasis masės oro srautas m lygus antrojo oro srauto greičio ir srauto oro srauto tankio p sandaugai. Pagal energijos tvermės dėsnį, oro srauto, tekančio per I sekciją (F1), masė m2 yra lygi tam tikro srauto, tekančio per II sekciją (F2), masei m2, jei oro srautas yra pastovus:

m1=m2=konst., (1,7)

m1F1V1=m2F2V2=konst. (1,8)

Ši išraiška vadinama srauto oro srauto tęstinumo lygtimi.

F1V1=F2V2= konst. (1,9)

Taigi iš formulės aišku, kad tas pats oro tūris per tam tikrą laiko vienetą (sekundę) praeina per skirtingas srauto dalis, bet skirtingu greičiu.

Parašykime (1.9) lygtį tokia forma:

Formulė rodo, kad purkštuko oro srauto greitis yra atvirkščiai proporcingas purkštuko skerspjūvio plotui ir atvirkščiai.

Taigi, oro srauto tęstinumo lygtis nustato ryšį tarp srovės skerspjūvio ir greičio, su sąlyga, kad srovės oro srautas yra pastovus.

Statinio slėgio ir greičio galvos Bernulio lygtis

lėktuvo aerodinamika

Lėktuvas, esantis nejudančiame arba jo atžvilgiu judančiame oro sraute, patiria pastarojo slėgį, pirmuoju atveju (kai oro srautas yra nejudantis) yra statinis slėgis, o antruoju atveju (kai oro srautas juda) dinaminis slėgis, jis dažniau vadinamas didelio greičio slėgiu. Statinis slėgis sraute panašus į skysčio (vandens, dujų) ramybės būsenoje slėgį. Pvz.: vanduo vamzdyje, jis gali būti ramybės būsenoje arba judant, abiem atvejais vamzdžio sieneles spaudžia vanduo. Vandens judėjimo atveju slėgis bus šiek tiek mažesnis, nes atsirado didelio greičio slėgis.

Pagal energijos tvermės dėsnį, oro srauto energija įvairiose oro srauto atkarpose yra srauto kinetinės energijos, slėgio jėgų potencinės energijos, srauto vidinės energijos ir kūno padėties energija. Ši suma yra pastovi vertė:

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

Kinetinė energija (Ekin) – tai judančio oro srauto gebėjimas atlikti darbą. Tai lygu

kur m yra oro masė, kgf s2m; V formos oro srauto greitis, m/s. Jei vietoj masės m pakeisime oro masės tankį p, gausime formulę greičio slėgiui q nustatyti (kgf/m2)

Potenciali energija Ep – oro srauto gebėjimas atlikti darbą veikiant statinėms slėgio jėgoms. Jis lygus (kgf-m)

kur P yra oro slėgis, kgf/m2; F yra oro srauto skerspjūvio plotas, m2; S – kelias, kurį 1 kg oro nukeliauja per tam tikrą atkarpą, m; sandauga SF vadinama savituoju tūriu ir žymima v. Pakeitę specifinio oro tūrio reikšmę į formulę (1.13), gauname

Vidinė energija Evn – tai dujų gebėjimas atlikti darbą, kai keičiasi jų temperatūra:

čia Cv yra pastovaus tūrio oro šiluminė talpa, cal/kg-deg; T-temperatūra pagal Kelvino skalę, K; A - terminis ekvivalentas mechaninis darbas(kal-kg-m).

Iš lygties aišku, kad vidinė oro srauto energija yra tiesiogiai proporcinga jo temperatūrai.

Padėties energija En – tai oro gebėjimas atlikti darbą, kai tam tikros oro masės svorio centro padėtis pasikeičia kylant į tam tikrą aukštį ir yra lygi

kur h yra aukščio pokytis, m.

Dėl labai mažų oro masių svorio centrų atskyrimo išilgai aukščio oro sraute verčių, aerodinamikoje ši energija nepaisoma.

Atsižvelgdami į visas energijos rūšis tam tikromis sąlygomis, galime suformuluoti Bernulio dėsnį, kuris nustato ryšį tarp statinio slėgio oro sraute ir greičio slėgio.

Panagrinėkime kintamo skersmens (1, 2, 3) vamzdį (10 pav.), kuriame juda oro srautas. Slėgiui matuoti nagrinėjamose atkarpose naudojami slėgio matuokliai. Analizuodami manometrų rodmenis, galime daryti išvadą, kad mažiausią dinaminį slėgį rodo manometras, kurio skerspjūvis 3-3. Tai reiškia, kad vamzdžiui siaurėjant oro srauto greitis didėja ir slėgis krenta.

Ryžiai. 10

Slėgio kritimo priežastis yra ta, kad oro srautas nesukelia jokio darbo (į trintį neatsižvelgiama), todėl bendra oro srauto energija išlieka pastovi. Jeigu oro srauto temperatūrą, tankį ir tūrį skirtingose ​​atkarpose laikysime pastoviais (T1=T2=T3;р1=р2=р3, V1=V2=V3), tai į vidinę energiją galima nepaisyti.

Tai reiškia, kad tokiu atveju oro srauto kinetinė energija gali virsti potencialia energija ir atvirkščiai.

Didėjant oro srauto greičiui, didėja ir greičio slėgis bei atitinkamai šio oro srauto kinetinė energija.

Formulių (1.11), (1.12), (1.13), (1.14), (1.15) reikšmes pakeiskime formule (1.10), atsižvelgdami į tai, kad nepaisysime vidinės energijos ir padėties energijos, transformuodami lygtį ( 1.10), gauname

Ši bet kurio oro srauto skerspjūvio lygtis parašyta taip:

Šio tipo lygtis yra paprasčiausia matematinė Bernulio lygtis ir parodo, kad bet kurios pastovaus oro srauto srauto atkarpos statinių ir dinaminių slėgių suma yra pastovi vertė. Šiuo atveju į suspaudimą neatsižvelgiama. Atsižvelgus į suspaudžiamumą, atliekamos atitinkamos pataisos.

Norėdami iliustruoti Bernulio dėsnį, galite atlikti eksperimentą. Paimkite du popieriaus lapus, laikydami juos lygiagrečiai vienas kitam nedideliu atstumu ir pūskite į tarpą tarp jų.

Ryžiai. vienuolika

Paklodės artėja. Jų konvergencijos priežastis yra ta, kad lakštų išorėje slėgis yra atmosferinis, o intervale tarp jų dėl didelio greičio oro slėgio slėgis sumažėjo ir tapo mažesnis nei atmosferinis. Slėgio skirtumų įtakoje popieriaus lapai linksta į vidų.

Vėjo tuneliai

Eksperimentinė sistema, skirta tirti reiškinius ir procesus, susijusius su dujų srautu aplink kūnus, vadinama vėjo tuneliu. Vėjo tunelių veikimo principas pagrįstas Galilėjaus reliatyvumo principu: vietoj kūno judėjimo stacionarioje terpėje tiriamas dujų srautas aplink nejudantį kūną Vėjo tuneliuose eksperimentiškai nustatomas poveikis orlaiviui . aerodinamines jėgas ir momentais, tiriamas slėgio ir temperatūros pasiskirstymas jo paviršiuje, stebimas tėkmės pobūdis aplink kūną, tiriamas aeroelastingumas ir kt.

Vėjo tuneliai, priklausomai nuo Macho skaičių diapazono M, skirstomi į ikigarsinius (M = 0,15-0,7), transoninius (M = 0,7-1 3), viršgarsinius (M = 1,3-5) ir hipergarsinius (M = 5-25). ), pagal veikimo principą - į kompresorių (nepertraukiamo veikimo), kuriame oro srautas sukuriamas specialiu kompresoriumi, o padidinto slėgio balionai, pagal kontūro išdėstymą - į uždarą ir atvirą.

Kompresorių vamzdžiai pasižymi dideliu efektyvumu, juos patogu naudoti, tačiau jiems reikia sukurti unikalius kompresorius su dideliu dujų srautu ir didele galia. Oro balioniniai vėjo tuneliai yra mažiau ekonomiški nei kompresoriniai vėjo tuneliai, nes drosuojant dujas prarandama dalis energijos. Be to, oro balioninių vėjo tunelių veikimo trukmę riboja rezervuaruose esančios dujų atsargos ir įvairiems vėjo tuneliams svyruoja nuo dešimčių sekundžių iki kelių minučių.

Balionų vėjo tuneliai plačiai naudojami dėl to, kad jie yra paprastesnio dizaino, o kompresoriaus galia, reikalinga balionams užpildyti, yra palyginti nedidelė. Uždarojo ciklo vėjo tuneliai naudoja didelę kinetinės energijos dalį, likusią dujų sraute, kai jis praeina per darbo sritį, taip padidindamas vamzdžio efektyvumą. Tačiau šiuo atveju būtina padidinti bendrus įrenginio matmenis.

Ikigarsiniuose vėjo tuneliuose tiriamos ikigarsinių sraigtasparnių orlaivių aerodinaminės charakteristikos, taip pat viršgarsinių orlaivių charakteristikos kilimo ir tūpimo režimais. Be to, jie naudojami tiriant srautą aplink automobilius ir kitas antžemines transporto priemones. Transporto priemonė, pastatai, paminklai, tiltai ir kiti objektai Paveikslėlyje parodyta ikigarsinio vėjo tunelio su uždara kilpa schema.

Ryžiai. 12

1 - koris 2 - grotelės 3 - prieškambaris 4 - maišytuvas 5 - srauto kryptis 6 - darbinė dalis su modeliu 7 - difuzorius, 8 - alkūnė su besisukančiomis mentėmis, 9 - kompresorius 10 - oro aušintuvas

Ryžiai. 13

1 - koris 2 - grotelės 3 - prieškambaris 4 maišytuvas 5 perforuota darbinė dalis su modeliu 6 ežektorius 7 difuzorius 8 alkūnė su kreipiančiomis mentelėmis 9 oro išmetimas 10 - oro tiekimas iš cilindrų

Ryžiai. 14

1 - suspausto oro cilindras 2 - vamzdynas 3 - reguliavimo droselis 4 - išlyginimo grotelės 5 - korio 6 - deturbuliacijos grotelės 7 - prieškambaris 8 - maišytuvas 9 - viršgarsinis antgalis 10 - darbinė dalis su modeliu 11 - viršgarsinis difuzorius 12 - ikigarsinis difuzorius 12 - ikigarsinis difuzorius paleisti

Ryžiai. 15

1 - aukšto slėgio cilindras 2 - vamzdynas 3 - valdymo droselis 4 - šildytuvas 5 - išankstinė kamera su koriu ir grotelėmis 6 - hipergarsinis ašiesimetrinis antgalis 7 - darbinė dalis su modeliu 8 - hipergarsinis ašiesimetrinis difuzorius 9 - oro aušintuvas 10 - srauto kryptis 11 - oro tiekimas į ežektorius 12 - ežektoriai 13 - sklendės 14 - vakuuminis bakas 15 - ikigarsinis difuzorius

Kai skystis teka uždaru kanalu, pvz., vamzdžiu arba tarp dviejų plokščių plokščių, priklausomai nuo skysčio greičio ir klampumo gali atsirasti bet kuris iš dviejų srauto tipų: laminarinis srautas arba turbulentinis srautas. Laminarinis srautas dažniausiai atsiranda mažesniu greičiu, žemiau slenksčio, kai jis tampa turbulentinis. Turbulentinis srautas yra mažiau tvarkingas srauto režimas, kuriam būdingi sūkuriai arba nedideli skystų dalelių paketai, dėl kurių susimaišo šoninis. Nemoksliškai kalbant, laminarinis srautas yra sklandžiai, o turbulentinis srautas yra grubus .

Ryšys su Reinoldso skaičiumi

Skystyje kanale vykstančio srauto tipas yra svarbus skysčių dinamikos problemoms spręsti, o tada jį veikia šilumos ir masės perdavimas skysčių sistemose. Bedimensinis Reinoldso skaičius yra svarbus parametras lygtyse, kurios apibūdina, ar visiškai išsivysčiusios srauto sąlygos lemia laminarinį ar turbulentinį srautą. Reinoldso skaičius yra inercinės jėgos ir skysčio šlyties jėgos santykis: kaip greitai skystis juda, palyginti su jo klampumu, nepriklausomai nuo skysčio sistemos masto. Laminarinis srautas dažniausiai atsiranda, kai skystis juda lėtai arba skystis yra labai klampus. Padidinus Reinoldso skaičių, pavyzdžiui, padidinus skysčio srautą, srautas pereis iš laminarinio į turbulentinį srautą tam tikrame laminarinio-turbulencinio pereinamojo intervalo Reinoldso skaičių diapazone, priklausomai nuo nedidelio skysčio sutrikimo lygio arba srauto sistemos trūkumai. Jei Reinoldso skaičius yra labai mažas, daug mažesnis už 1, tada skystis turės Stokso arba šliaužiančią tekėjimą, kai klampioje skysčio jėgoje dominuoja inercijos jėgos.

Konkretus Reinoldso skaičiaus apskaičiavimas ir vertė, kurioje atsiranda laminarinis srautas, priklausys nuo srauto sistemos geometrijos ir srauto struktūros. Bendras srauto vamzdžiu pavyzdys, kur Reinoldso skaičius pateikiamas pagal

Tokiose sistemose laminarinis srautas atsiranda, kai Reinoldso skaičius yra mažesnis už kritinę reikšmę, maždaug 2040, nors perėjimo diapazonas paprastai yra nuo 1800 iki 2100.

Dėl hidraulinės sistemos atsirandantys ant išorinių paviršių, pvz., srautai aplink skystyje pakibusius objektus, kiti Reynoldso skaičių apibrėžimai gali būti naudojami norint numatyti srauto aplink objektą tipą. Dalelių Reynoldso skaičius Re p bus naudojamas, pavyzdžiui, skystame skystyje suspenduotoms dalelėms. Kaip ir srauto vamzdžiuose atveju, laminarinis srautas paprastai vyksta esant mažesniam Reinoldso skaičiui, o turbulentinis srautas ir susiję reiškiniai, tokie kaip sūkuriai, atsiranda esant didesniam Reinoldso skaičiui.

Pavyzdžiai

Dažnas laminarinio srauto taikymas yra sklandus klampaus skysčio tekėjimas per vamzdelį ar vamzdelį. Šiuo atveju srauto greitis pasikeičia nuo nulio ant didžiausių sienelių išilgai indo skerspjūvio centro. Laminarinio srauto srauto profilį vamzdyje galima apskaičiuoti srautą padalijus į plonus cilindrinius elementus ir juos pritaikius klampią jėgą.

Kitas pavyzdys būtų oro srautas virš lėktuvo sparno. Ribinis sluoksnis yra labai plonas oro sluoksnis, esantis ant sparno (ir visų kitų orlaivio paviršių). Kadangi oras turi klampumą, šis oro sluoksnis linkęs prilipti prie sparno. Sparnui judant į priekį oru, ribinis sluoksnis pirmiausia sklandžiai teka per supaprastintą aerodinaminio profilio formą. Čia srautas yra laminarinis, o ribinis sluoksnis yra laminarinis sluoksnis. Prandtlis laminarinio ribinio sluoksnio koncepciją pritaikė aerodinaminiams paviršiams 1904 m.

laminarinio srauto barjerai

Laminarinis oro srautas naudojamas atskirti oro kiekius arba užkirsti kelią oro teršalų patekimui į zoną. Laminariniai gaubtai naudojami siekiant pašalinti užterštumą dėl jautrių mokslo, elektronikos ir medicinos procesų. Oro užuolaidos dažnai naudojamos komercinėse patalpose, kad šildomas arba vėsinamas oras galėtų tekėti pro duris. Laminarinio srauto reaktorius (LFR) yra reaktorius, kuris naudoja laminarinį srautą cheminėms reakcijoms ir proceso mechanizmams tirti.

Yra du įvairių formų, du skysčio srauto režimai: laminarinis ir turbulentinis srautas. Srautas vadinamas laminariniu (sluoksniuotu), jei išilgai srauto kiekvienas pasirinktas plonas sluoksnis slenka kaimynų atžvilgiu, nesimaišydamas su jais, o turbulentinis (sūkurys), jei sraute vyksta intensyvus sūkurio susidarymas ir skysčio (dujų) maišymasis.

Laminaras skysčio srautas stebimas mažu jo judėjimo greičiu. Laminariniame sraute visų dalelių trajektorijos yra lygiagrečios ir jų forma atitinka srauto ribas. Pavyzdžiui, apvaliame vamzdyje skystis juda cilindriniais sluoksniais, kurių generatoriai yra lygiagrečiai vamzdžio sienelėms ir ašiai. Stačiakampiame begalinio pločio kanale skystis juda sluoksniais lygiagrečiai jo dugnui. Kiekviename srauto taške greitis išlieka pastovus kryptimi. Jei greitis nesikeičia laikui bėgant ir dydžiui, judėjimas vadinamas pastoviu. Laminariniam judėjimui vamzdyje greičio pasiskirstymo diagrama skerspjūvyje yra parabolės formos, kurios didžiausias greitis vamzdžio ašyje ir nulinė reikšmė ties sienelėmis, kur susidaro prilipęs skysčio sluoksnis. Išorinis skysčio sluoksnis, esantis greta vamzdžio, kuriuo jis teka, paviršiaus prilimpa prie jo dėl molekulinių sukibimo jėgų ir lieka nejudantis. Kuo didesnis atstumas nuo tolesnių sluoksnių iki vamzdžio paviršiaus, tuo didesnis sekančių sluoksnių greitis, o sluoksnis, judantis išilgai vamzdžio ašies, turi didžiausią greitį. Vidutinio turbulentinio srauto greičio vamzdžiuose profilis (53 pav.) skiriasi nuo atitinkamo laminarinio srauto parabolinio profilio spartesniu greičio padidėjimu v.

9 pavLaminarinio ir turbulentinio skysčio srautų vamzdžiais profiliai (schemos).

Vidutinė greičio vertė apvalaus vamzdžio skerspjūvyje esant pastoviam laminariniam srautui nustatoma pagal Hageno-Puazio dėsnį:

(8)

čia p 1 ir p 2 yra slėgis dviejuose vamzdžio skerspjūviuose, nutoltuose atstumu Δx; r - vamzdžio spindulys; η - klampos koeficientas.

Hagen-Poiseuille dėsnį galima lengvai patikrinti. Pasirodo, paprastiems skysčiams jis galioja tik esant mažam srautui arba mažo dydžio vamzdžiams. Tiksliau, Hageno-Puazio dėsnis tenkinamas tik esant mažoms Reinoldso skaičiaus reikšmėms:

(9)

kur υ - Vidutinis greitis vamzdžio skerspjūvyje; l- būdingas dydis, šiuo atveju - vamzdžio skersmuo; ν yra kinematinės klampos koeficientas.

Anglų mokslininkas Osborne'as Reinoldsas (1842 - 1912) 1883 metais atliko eksperimentą pagal tokią schemą: prie įėjimo į vamzdį, kuriuo teka pastovus skysčio srautas, buvo įdėtas plonas vamzdelis, kad jo anga būtų ant ašies. vamzdžio. Dažai buvo tiekiami per vamzdelį į skysčio srovę. Nors buvo laminarinis srautas, dažai judėjo maždaug išilgai vamzdžio ašies plonos, smarkiai apribotos juostelės pavidalu. Tada, pradedant nuo tam tikros greičio vertės, kurią Reynoldsas pavadino kritiniais, ant juostos atsirado banginiai trikdžiai ir atskiri greitai nykstantys sūkuriai. Didėjant greičiui, jų skaičius didėjo ir pradėjo vystytis. Tam tikru greičiu juostelė suskilo į atskirus sūkurius, kurie pasklido per visą skysčio srauto storį, sukeldami intensyvų viso skysčio maišymąsi ir spalvą. Ši srovė buvo vadinama neramus .

Pradedant nuo kritinės greičio vertės, taip pat buvo pažeistas Hageno-Puazio įstatymas. Kartodamas eksperimentus su skirtingo skersmens vamzdžiais ir su skirtingais skysčiais, Reynoldsas išsiaiškino, kad kritinis greitis, kuriuo nutrūksta srauto greičio vektorių lygiagretumas, kinta priklausomai nuo srauto dydžio ir skysčio klampumo, bet visada tokiu būdu. kad bematis skaičius
įgavo tam tikrą pastovią vertę perėjimo iš laminarinio į turbulentinį srautą srityje.

Anglų mokslininkas O. Reinoldsas (1842 - 1912) įrodė, kad srauto pobūdis priklauso nuo bematio dydžio, vadinamo Reinoldso skaičiumi:

(10)

čia ν = η/ρ – kinematinė klampa, ρ – skysčio tankis, υ av – vidutinis skysčio greitis vamzdžio skerspjūvyje, l- būdingas tiesinis matmuo, pavyzdžiui, vamzdžio skersmuo.

Taigi iki tam tikros Re skaičiaus vertės yra stabilus laminarinis srautas, o tada tam tikrame šio skaičiaus verčių diapazone laminarinis srautas nustoja būti stabilus ir atsiranda individualių, daugiau ar mažiau greitai nykstančių trikdžių. srautas. Reynoldsas šiuos skaičius pavadino kritiniais Re kr. Kai Reinoldso skaičius toliau didėja, judėjimas tampa audringas. Kritinių Re verčių sritis paprastai yra tarp 1500–2500. Pažymėtina, kad Re cr vertei įtakos turi įvado į vamzdį pobūdis ir jo sienelių šiurkštumo laipsnis. Esant labai lygioms sienoms ir ypač sklandžiam įėjimui į vamzdį, Reynoldso skaičiaus kritinė vertė gali būti padidinta iki 20 000, o jei vamzdžio įėjimas turi aštrių briaunų, įdubimų ir pan. arba vamzdžio sienelės yra grubios, Re. cr vertė gali nukristi iki 800-1000 .

Turbulentiniame sraute skysčio dalelės įgyja statmenas tekėjimui greičio komponentes, todėl gali judėti iš vieno sluoksnio į kitą. Skysčių dalelių greitis greitai didėja tolstant nuo vamzdžio paviršiaus, tada pasikeičia gana nežymiai. Kadangi skystos dalelės juda iš vieno sluoksnio į kitą, jų greitis skirtinguose sluoksniuose mažai skiriasi. Dėl didelio greičio gradiento vamzdžio paviršiuje dažniausiai susidaro sūkuriai.

Turbulentinis skysčių srautas labiausiai paplitęs gamtoje ir technikoje. Oro srautas į. atmosfera, vanduo jūrose ir upėse, kanaluose, vamzdžiuose visada neramus. Gamtoje laminarinis judėjimas atsiranda, kai vanduo prasiskverbia pro plonas smulkiagrūdžių dirvožemių poras.

Turbulentinio srauto tyrimas ir jo teorijos konstravimas yra nepaprastai sudėtingas. Eksperimentiniai ir matematiniai šių tyrimų sunkumai iki šiol buvo įveikti tik iš dalies. Todėl nemažai praktiškai svarbių problemų (vandens tekėjimas kanaluose ir upėse, tam tikro profilio orlaivio judėjimas ore ir kt.) turi būti arba apytiksliai, arba išbandant atitinkamus modelius specialiuose hidrodinaminiuose vamzdeliuose. Norint pereiti nuo modeliu gautų rezultatų prie reiškinio gamtoje, naudojama vadinamoji panašumo teorija. Reinoldso skaičius yra vienas iš pagrindinių klampaus skysčio srauto panašumo kriterijų. Todėl jo apibrėžimas praktiškai labai svarbus. Šiame darbe stebimas laminarinio srauto perėjimas prie turbulentinio srauto ir nustatomos kelios Reinoldso skaičiaus reikšmės: laminarinio srauto srityje, pereinamojoje srityje (kritinis srautas) ir turbulentiniame sraute.

Plaučių atitiktis kiekybiškai apibūdina plaučių audinio išplėtimą bet kuriuo metu, kai keičiasi jų tūris įkvėpimo ir iškvėpimo fazėse. Todėl ištempimas yra statinė plaučių audinio elastinių savybių charakteristika. Tačiau kvėpuojant atsiranda pasipriešinimas išorinio kvėpavimo aparato judėjimui, kuris lemia jo dinamines charakteristikas, tarp kurių svarbiausia yra pasipriešinimas oro srautas, kai jis juda plaučių kvėpavimo takais.

Oro judėjimą iš išorinės aplinkos per kvėpavimo takus į alveoles ir priešinga kryptimi įtakoja slėgio gradientas: šiuo atveju oras juda iš zonos. aukštas spaudimasį žemo slėgio sritį. Įkvepiant oro slėgis alveolių erdvėje yra mažesnis už atmosferos slėgį, o iškvėpus – atvirkščiai. Atsparumas kvėpavimo takai oro srautas priklauso nuo slėgio gradiento tarp burnos ertmės ir alveolių erdvės.

Oro srautas per kvėpavimo takus gali būti laminarinis, neramus ir pereinamasis tarp šių tipų. Oras kvėpavimo takuose daugiausia juda laminariniu srautu, kurio greitis yra didesnis šių vamzdelių centre ir mažesnis prie jų sienelių. Esant laminariniam oro srautui, jo greitis tiesiškai priklauso nuo slėgio gradiento išilgai kvėpavimo takų. Kvėpavimo takų dalijimosi (bifurkacijos) vietose laminarinis oro srautas tampa turbulentinis. Kai kvėpavimo takuose vyksta turbulentinis srautas, atsiranda kvėpavimo triukšmas, kuris stetoskopu girdimas plaučiuose. Atsparumas laminariniam dujų srautui vamzdyje nustatomas pagal jo skersmenį. Todėl pagal Puazio dėsnį kvėpavimo takų pasipriešinimas oro srautui yra proporcingas jų skersmeniui, pakeltam iki ketvirtos laipsnio. Kadangi kvėpavimo takų pasipriešinimas yra atvirkščiai susijęs su jų skersmeniu iki ketvirtos laipsnio, šis rodiklis labiausiai priklauso nuo kvėpavimo takų skersmens pokyčių, kuriuos sukelia, pavyzdžiui, gleivių išsiskyrimas iš gleivinės ar spindžio susiaurėjimas. bronchų. Bendras kvėpavimo takų skerspjūvio skersmuo didėja kryptimi nuo trachėjos į plaučių periferiją ir tampa didžiausias galiniuose kvėpavimo takuose, dėl to smarkiai sumažėja pasipriešinimas oro srautui ir jo greitis šiose plaučių dalyse. . Taigi linijinis įkvepiamo oro srauto greitis trachėjoje ir pagrindiniuose bronchuose yra maždaug 100 cm/s. Kvėpavimo takų orui laidžių ir pereinamųjų zonų ribose linijinis oro srauto greitis kvėpavimo bronchuose sumažėja iki 0,2 cm/s, o alveoliniuose kanaluose ir maišeliuose - iki 0,02 cm/s. Toks mažas oro srauto greitis alveolių latakuose ir maišeliuose sukelia nežymius pasipriešinimas juda oras ir nėra lydimas didelių energijos sąnaudų dėl raumenų susitraukimo.

Priešingai, didžiausias kvėpavimo takų pasipriešinimas oro srautas atsiranda segmentinių bronchų lygyje dėl to, kad jų gleivinėje yra sekrecinio epitelio ir gerai išvystyto lygiųjų raumenų sluoksnio, t.y. faktorių, labiausiai įtakojančių tiek kvėpavimo takų skersmenį, tiek pasipriešinimą oro srautui juose. Viena iš kvėpavimo raumenų funkcijų yra įveikti šį pasipriešinimą.

Skysčių ir dujų srautų savybių tyrimas yra labai svarbus pramonei ir Komunalinės paslaugos. Laminarinis ir turbulentinis srautas įtakoja vandens, naftos, gamtinių dujų transportavimo įvairios paskirties vamzdynais greitį ir kitus parametrus. Hidrodinamikos mokslas sprendžia šias problemas.

klasifikacija

Mokslo bendruomenėje skysčių ir dujų srauto režimai skirstomi į dvi visiškai skirtingas klases:

• laminarinis (reaktyvinis);
• neramus.

Taip pat išskiriamas pereinamasis etapas. Beje, terminas „skystis“ turi plačią reikšmę: jis gali būti nesuspaudžiamas (tai iš tikrųjų yra skystis), suspaudžiamas (dujinis), laidus ir pan.

Fonas

1880 m. Mendelejevas išsakė dviejų priešingų srauto režimų idėją. Britų fizikas ir inžinierius Osborne'as Reynoldsas išsamiau ištyrė šią problemą, 1883 m. baigęs savo tyrimus. Iš pradžių praktiškai, o vėliau pasitelkdamas formules jis nustatė, kad esant mažam srauto greičiui, skysčių judėjimas įgauna laminarinę formą: sluoksniai (dalelių srautai) beveik nesimaišo ir juda lygiagrečiomis trajektorijomis. Tačiau įveikus tam tikrą kritinę reikšmę (skirtingoms sąlygoms ji skiriasi), vadinamą Reinoldso skaičiumi, keičiasi skysčio srauto režimai: srovės srautas tampa chaotiškas, sūkurinis – tai yra turbulentinis. Kaip paaiškėjo, šie parametrai tam tikru mastu būdingi ir dujoms.

Praktiniai anglų mokslininko skaičiavimai parodė, kad, pavyzdžiui, vandens elgesys labai priklauso nuo rezervuaro (vamzdžio, kanalo, kapiliaro ir kt.), kuriuo jis teka, formos ir dydžio. Apvalaus skerspjūvio vamzdžiai (tokie kaip naudojami slėginiams vamzdynams montuoti) turi savo Reinoldso numerį – formulė aprašyta taip: Re = 2300. Tekant atviru kanalu, jis skiriasi: Re = 900 Esant mažesnėms Re reikšmėms, srautas bus užsakytas, esant didesnėms vertėms - chaotiškas.

Laminarinis srautas

Skirtumas tarp laminarinio ir turbulentinio srauto yra vandens (dujų) srautų pobūdis ir kryptis. Jie juda sluoksniais, nesimaišydami ir be pulsacijų. Kitaip tariant, judėjimas vyksta tolygiai, be atsitiktinių slėgio, krypties ir greičio šuolių.

Laminarinis skysčio srautas susidaro, pavyzdžiui, siaurose gyvose būtybėse, augalų kapiliaruose ir panašiomis sąlygomis, kai vamzdynu teka labai klampūs skysčiai (mazutas). Norėdami aiškiai matyti srovės srautą, tiesiog šiek tiek atidarykite vandens čiaupą – vanduo tekės ramiai, tolygiai, nesimaišydamas. Jei čiaupas bus atsuktas iki galo, slėgis sistemoje padidės ir srautas taps chaotiškas.

Turbulentinis srautas

Skirtingai nuo laminarinio srauto, kai šalia esančios dalelės juda beveik lygiagrečiomis trajektorijomis, turbulentinis skysčio srautas yra sutrikęs. Jei naudosime Lagranžo metodą, dalelių trajektorijos gali susikirsti savavališkai ir elgtis gana nenuspėjamai. Skysčių ir dujų judėjimas tokiomis sąlygomis visada yra nestacionarus, o šių nestacionarybių parametrai gali turėti labai platų diapazoną.

Kaip laminarinis dujų srauto režimas virsta turbulentiniu, galima atsekti naudojant dūmų srautą iš degančios cigaretės ramiame ore. Iš pradžių dalelės juda beveik lygiagrečiai trajektorijomis, kurios laikui bėgant nekinta. Dūmai atrodo nejudantys. Tada kažkurioje vietoje staiga atsiranda dideli sūkuriai ir juda visiškai chaotiškai. Šie sūkuriai skyla į mažesnius, tie į dar mažesnius ir t.t. Galiausiai dūmai praktiškai susimaišo su aplinkiniu oru.

Turbulencijos ciklai

Aukščiau aprašytas pavyzdys yra vadovėlis, ir iš jo stebėjimo mokslininkai padarė tokias išvadas:

1. Laminarinis ir turbulentinis srautas yra tikimybinio pobūdžio: perėjimas iš vieno režimo į kitą vyksta ne tiksliai nurodytoje vietoje, o gana savavališkoje, atsitiktinėje vietoje.
2. Pirmiausia atsiranda dideli sūkuriai, kurių dydis yra didesnis nei dūmų srauto dydis. Judėjimas tampa nepastovus ir labai anizotropinis. Dideli srautai praranda stabilumą ir skyla į vis mažesnius. Taigi susidaro ištisa sūkurių hierarchija. Jų judėjimo energija iš didelių perkeliama į mažą, o pasibaigus šiam procesui dingsta – energijos išsklaidymo įvyksta mažais masteliais.
3. Turbulentinis srauto režimas yra atsitiktinio pobūdžio: vienas ar kitas sūkurys gali atsidurti visiškai savavališkoje, nenuspėjamoje vietoje.
4. Dūmų maišymasis su aplinkiniu oru laminarinėmis sąlygomis praktiškai nevyksta, tačiau turbulentinėmis sąlygomis labai intensyviai.
5. Nepaisant to, kad ribinės sąlygos yra stacionarios, pati turbulencija turi ryškų nestacionarų pobūdį - laikui bėgant kinta visi dujų dinaminiai parametrai.

Yra dar viena svarbi turbulencijos savybė: ji visada yra trimatė. Net jei svarstysime vienmatį srautą vamzdyje arba dvimatį ribinį sluoksnį, turbulentinių sūkurių judėjimas vis tiek vyksta visų trijų koordinačių ašių kryptimis.

Reinoldso skaičius: formulė

Perėjimas nuo laminariškumo prie turbulencijos apibūdinamas vadinamuoju kritiniu Reinoldso skaičiumi:

Re cr = (ρuL/µ) cr,

čia ρ – srauto tankis, u – būdingas srauto greitis; L – būdingas srauto dydis, µ – koeficientas cr – srautas apskrito skerspjūvio vamzdžiu.

Pavyzdžiui, srautui, kurio greitis u vamzdyje, naudojamas L, nes Osborne'as Reinoldsas parodė, kad šiuo atveju 2300

Panašus rezultatas gaunamas ribiniame sluoksnyje ant plokštės. Atstumas nuo plokštės priekinio krašto laikomas būdingu dydžiu, o tada: 3 × 10 5

Greičio trikdymo samprata

Laminarinis ir turbulentinis skysčio srautas ir atitinkamai kritinė Reinoldso skaičiaus vertė (Re) priklauso nuo daugelio veiksnių: slėgio gradiento, šiurkštumo gumbų aukščio, išorinio srauto turbulencijos intensyvumo, temperatūrų skirtumo ir kt. Dėl patogumo šie bendri veiksniai taip pat vadinami greičio trikdžiais, nes jie turi tam tikrą poveikį srauto greičiui. Jei šis trikdymas nedidelis, jį gali užgesinti klampios jėgos, linkusios išlyginti greičio lauką. Esant dideliems trikdžiams, srautas gali prarasti stabilumą ir atsirasti turbulencija.

Atsižvelgiant į tai, kad fizinė Reinoldso skaičiaus reikšmė yra inercinių jėgų ir klampių jėgų santykis, srautų sutrikimas patenka į formulę:

Re = ρuL/µ = ρu 2 /(µ×(u/L)).

Skaitiklyje yra dvigubas greičio slėgis, o vardiklyje yra trinties įtempių eilės dydis, jei ribinio sluoksnio storis laikomas L. Didelio greičio slėgis linkęs sugriauti pusiausvyrą, tačiau tai yra neutralizuojama. Tačiau neaišku, kodėl (arba greičio slėgis) keičiasi tik tada, kai jie yra 1000 kartų didesni už klampiąsias jėgas.

Skaičiavimai ir faktai

Tikriausiai būtų patogiau naudoti greičio trikdymą, o ne absoliutų srauto greitį u kaip būdingą greitį Recr. Šiuo atveju kritinis Reinoldso skaičius bus 10, tai yra, kai greičio slėgio sutrikimas 5 kartus viršija klampius įtempius, skysčio laminarinis srautas tampa turbulentinis. Šis Re apibrėžimas, pasak daugelio mokslininkų, gerai paaiškina šiuos eksperimentiškai patvirtintus faktus.

Siekiant idealiai vienodo greičio profilio ant idealiai lygaus paviršiaus, tradiciškai nustatytas skaičius Re cr linkęs į begalybę, tai yra, perėjimas prie turbulencijos faktiškai nepastebimas. Tačiau Reinoldso skaičius, nustatomas pagal greičio trikdžių dydį, yra mažesnis už kritinį, kuris yra lygus 10.

Esant dirbtiniams turbuliatoriams, kurie sukelia greičio, panašų į pagrindinį greitį, pliūpsnį, srautas tampa turbulentinis esant daug mažesnėms Reinoldso skaičiaus reikšmėms nei Re cr, nustatyta iš absoliučios greičio vertės. Tai leidžia naudoti koeficiento Re cr = 10 reikšmę, kur kaip būdingas greitis naudojamas greičio trikdžių, atsiradusių dėl minėtų priežasčių, absoliučios vertės.

Laminarinio srauto režimo stabilumas vamzdyne

Laminarinis ir turbulentinis srautas būdingas visų tipų skysčiams ir dujoms skirtingomis sąlygomis. Gamtoje laminariniai srautai yra reti ir būdingi, pavyzdžiui, siauriems požeminiams srautams plokščiomis sąlygomis. Šis klausimas daug labiau nerimauja mokslininkams dėl praktinio vandens, naftos, dujų ir kitų techninių skysčių transportavimo vamzdynais taikymo kontekste.

Laminarinio srauto stabilumo klausimas yra glaudžiai susijęs su pagrindinio srauto sutrikusio judėjimo tyrimu. Nustatyta, kad jį veikia vadinamieji nedideli trikdžiai. Priklausomai nuo to, ar laikui bėgant jie blunka ar auga, pagrindinis srautas laikomas stabiliu arba nestabiliu.

Suspaudžiamų ir nesuspaudžiamų skysčių srautas

Vienas iš veiksnių, turinčių įtakos laminariniam ir turbulentiniam skysčio srautui, yra jo suspaudžiamumas. Ši skysčio savybė ypač svarbi tiriant nepastovių procesų stabilumą, kai sparčiai keičiasi pagrindinis srautas.

Tyrimai rodo, kad laminarinis nesuspaudžiamo skysčio srautas cilindrinio skerspjūvio vamzdžiuose yra atsparus santykinai nedideliems ašimetriškiems ir neašimetriškiems laiko ir erdvės trikdžiams.

Pastaruoju metu buvo atlikti skaičiavimai dėl ašiesimetrinių trikdžių įtakos srauto stabilumui cilindrinio vamzdžio įvadinėje dalyje, kur pagrindinis srautas priklauso nuo dviejų koordinačių. Šiuo atveju koordinatė išilgai vamzdžio ašies yra laikoma parametru, nuo kurio priklauso greičio profilis išilgai pagrindinio srauto vamzdžio spindulio.

Išvada

Nepaisant šimtmečius trukusių tyrimų, negalima teigti, kad tiek laminarinis, tiek turbulentinis srautas buvo nuodugniai ištirtas. Eksperimentiniai tyrimai mikro lygmeniu kelia naujų klausimų, kuriems reikia pagrįsto skaičiavimo pagrindimo. Tyrimų pobūdis turi ir praktinės naudos: visame pasaulyje nutiesta tūkstančiai kilometrų vandens, naftos, dujų ir produktų vamzdynų. Kuo daugiau bus įdiegta techninių sprendimų, mažinančių turbulenciją transportavimo metu, tuo jis bus efektyvesnis.