• Главная
  • Образование
  • Что такое ламинарный поток воды, как образуется? — Полезная информация для всех
Образование

Что такое ламинарный поток воды, как образуется? — Полезная информация для всех

Изучение свойств потоков жидкостей и газов очень важно для промышленности и коммунального хозяйства. Ламинарное и турбулентное течение сказывается на скорости транспортировки воды, нефти, природного газа по трубопроводам различного назначения, влияет на другие параметры. Этими проблемами занимается наука гидродинамика.

Ламинарное и турбулентное течение

Классификация

В научной среде режимы течения жидкости и газов разделяют на два совершенно разных класса:

  • ламинарные (струйные);
  • турбулентные.

Также различают переходную стадию. Кстати, термин «жидкость» имеет широкое значение: она может быть несжимаемой (это собственно жидкость), сжимаемой (газ), проводящей и т. д.

Число Рейнольдса формула

История вопроса


Еще Менделеевым в 1880 году была высказана идея о существовании двух противоположных режимов течений. Более подробно этот вопрос изучил британский физик и инженер Осборн Рейнольдс, завершив исследования в 1883 году. Сначала практически, а затем с помощью формул он установил, что при невысокой скорости течения перемещение жидкостей приобретает ламинарную форму: слои (потоки частиц) почти не перемешиваются и движутся по параллельным траекториям. Однако после преодоления некоего критического значения (для различных условий оно разное), названного числом Рейнольдса, режимы течения жидкости меняются: струйный поток становится хаотичным, вихревым – то есть, турбулентным. Как оказалось, эти параметры в определенной степени свойственны и газам.

Практические расчеты английского ученого показали, что поведение, например, воды, сильно зависит от формы и размеров резервуара (трубы, русла, капилляра и т.д.), по которому она течет. В трубах, имеющих круглое сечение (такие используют для монтажа напорных трубопроводов), свое число Рейнольдса – формула критического состояния описывается так: Re = 2300. Для течения по открытому руслу число Рейнольдса другое: Re = 900. При меньших значениях Re течение будет упорядоченным, при больших – хаотичным.

Ламинарное течение жидкости

Ламинарное течение


Отличие ламинарного течения от турбулентного состоит в характере и направлении водных (газовых) потоков. Они перемещаются слоями, не смешиваясь и без пульсаций. Другими словами, движение проходит равномерно, без беспорядочных скачков давления, направления и скорости.

Ламинарное течение жидкости образуется, например, в узких кровеносных сосудах живых существ, капиллярах растений и в сопоставимых условиях, при течении очень вязких жидкостей (мазута по трубопроводу). Чтобы наглядно увидеть струйный поток, достаточно немного приоткрыть водопроводный кран – вода будет течь спокойно, равномерно, не смешиваясь. Если краник отвернуть до конца, давление в системе повысится и течение приобретет хаотичный характер.

Турбулентный режим течения

Турбулентное течение

В отличие от ламинарного, в котором близлежащие частицы движутся по практически параллельным траекториям, турбулентное течение жидкости носит неупорядоченный характер. Если использовать подход Лагранжа, то траектории частиц могут произвольно пересекаться и вести себя достаточно непредсказуемо. Движения жидкостей и газов в этих условиях всегда нестационарные, причем параметры этих нестационарностей могут иметь весьма широкий диапазон.

Как ламинарный режим течения газа переходит в турбулентный, можно отследить на примере струйки дыма горящей сигареты в неподвижном воздухе. Вначале частицы движутся практически параллельно по неизменяемым во времени траекториям. Дым кажется неподвижным. Потом в каком-то месте вдруг возникают крупные вихри, которые движутся совершенно хаотически. Эти вихри распадаются на более мелкие, те – на еще более мелкие и так далее. В конце концов, дым практически смешивается с окружающим воздухом.

Циклы турбулентности


Вышеописанный пример является хрестоматийным, и из его наблюдения ученые сделали следующие выводы:

  1. Ламинарное и турбулентное течение имеют вероятностный характер: переход от одного режима к другому происходит не в точно заданном месте, а в достаточно произвольном, случайном месте.
  2. Сначала возникают крупные вихри, размер которых больше, чем размер струйки дыма. Движение становится нестационарным и сильно анизотропным. Крупные потоки теряют устойчивость и распадаются на все более мелкие. Таким образом, возникает целая иерархия вихрей. Энергия их движения передается от крупных к мелким, и в конце этого процесса исчезает – происходит диссипация энергии при мелких масштабах.
  3. Турбулентный режим течения носит случайный характер: тот или иной вихрь может оказаться в совершенно произвольном, непредсказуемом месте.
  4. Смешение дыма с окружающим воздухом практически не происходит при ламинарном режиме, а при турбулентном – носит очень интенсивный характер.
  5. Несмотря на то, что граничные условия стационарны, сама турбулентность носит ярко выраженный нестационарный характер – все газодинамические параметры меняются во времени.

Есть и еще одно важное свойство турбулентности: оно всегда трехмерно. Даже если рассматривать одномерное течение в трубе или двумерный пограничный слой, все равно движение турбулентных вихрей происходит в направлениях всех трех координатных осей.

Ламинарное и турбулентное течение жидкости

Число Рейнольдса: формула

Переход от ламинарности к турбулентности характеризуется так называемым критическим числом Рейнольдса:

Recr = (ρuL/µ)cr,

где ρ – плотность потока, u – характерная скорость потока; L – характерный размер потока, µ – коэффициент динамической вязкости, cr – течение по трубе с круглым сечением.

Например, для течения со скоростью u в трубе в качестве L используется диаметр трубы. Осборн Рейнольдс показал, что в этом случае 2300 <Recr< 20000. Разброс весьма велик, практически на порядок величины.

Аналогичный результат получается в пограничном слое на пластине. В качестве характерного размера берется расстояние от передней кромки пластины, и тогда: 3×105 <Recr< 4×104. Если же L определяется как толщина пограничного слоя, то 2700 <Recr< 9000. Есть экспериментальные исследования, которые показали, что значение Recr может быть еще больше.

Понятие возмущения скорости


Ламинарное и турбулентное течение жидкости, а соответственно, критическое значение числа Рейнольдса (Re) зависят от большего числа факторов: от градиента давления, высоты бугорков шероховатости, интенсивности турбулентности во внешнем потоке, перепада температур и пр. Для удобства эти суммарные факторы еще называют возмущением скорости, так как они оказывают определенное влияние на скорость потока. Если это возмущение невелико, оно может быть погашено вязкими силами, стремящимися выровнять поле скоростей. При больших возмущениях течение может потерять устойчивость, и возникает турбулентность.

Учитывая, что физический смысл числа Рейнольдса – это соотношение сил инерции и сил вязкости, возмущение потоков подпадает под действие формулы:

Re = ρuL/µ = ρu2/(µ×(u/L)).

В числителе стоит удвоенный скоростной напор, а в знаменателе – величина, имеющая порядок напряжения трения, если в качестве L берется толщина пограничного слоя. Скоростной напор стремится разрушить равновесие, а силы трения противодействуют этому. Впрочем, неясно, почему силы инерции (или скоростной напор) приводят к изменениям только тогда, когда они в 1000 раз больше сил вязкости.

Расчеты и факты

Вероятно, более удобно было бы использовать в качестве характерной скорости в Recr не абсолютную скорость потока u, а возмущение скорости. В этом случае критическое число Рейнольдса составит порядка 10, то есть при превышении возмущения скоростного напора над вязкими напряжениями в 5 раз ламинарное течение жидкости перетекает в турбулентное. Данное определение Re по мнению ряда ученых хорошо объясняет следующие экспериментально подтвержденные факты.


Для идеально равномерного профиля скорости на идеально гладкой поверхности традиционно определяемое число Recr стремится к бесконечности, то есть перехода к турбулентности фактически не наблюдается. А вот число Рейнольдса, определяемое по величине возмущения скорости меньше критического, которое равно 10.

При наличии искусственных турбулизаторов, вызывающих всплеск скорости, сравнимый с основной скоростью, поток становится турбулентным при гораздо более низких значениях числа Рейнольдса, чем Recr, определенное по абсолютному значению скорости. Это позволяет использовать значение коэффициента Recr = 10, где в качестве характерной скорости используется абсолютное значение возмущения скорости, вызываемое указанными выше причинами.

Отличие ламинарного течения от турбулентного

Устойчивость режима ламинарного течения в трубопроводе

Ламинарное и турбулентное течение свойственно всем видам жидкостей и газов в разных условиях. В природе ламинарные течения встречаются редко и характерны, например, для узких подземных потоков в равнинных условиях. Гораздо больше этот вопрос волнует ученых в контексте практического применения для транспортировки по трубопроводам воды, нефти, газа и других технических жидкостей.


Вопрос устойчивости ламинарного течения тесно связан с исследованием возмущенного движения основного течения. Установлено, что оно подвергается воздействию так называемых малых возмущений. В зависимости от того, угасают или растут они со временем, основное течение считается устойчивым либо неустойчивым.

Течение сжимаемых и не сжимаемых жидкостей

Одним из факторов, влияющих на ламинарное и турбулентное течение жидкости, является ее сжимаемость. Это свойство жидкости особенно важно при изучении устойчивости нестационарных процессов при быстром изменении основного течения.

Исследования показывают, что ламинарное течение несжимаемой жидкости в трубах цилиндрического сечения устойчиво к относительно малым осесимметричным и неосесимметричным возмущениям во времени и пространстве.

В последнее время проводятся расчеты по влиянию осесимметричных возмущений на устойчивость течения во входной части цилиндрической трубы, где основное течение находится в зависимости от двух координат. При этом координата по оси трубы рассматривается как параметр, от которого зависит профиль скоростей по радиусу трубы основного течения.

Режимы течения жидкости

Вывод


Несмотря на столетия изучения, нельзя сказать, что и ламинарное, и турбулентное течение досконально изучены. Экспериментальные исследования на микроуровне ставят новые вопросы, требующие аргументированного расчетного обоснования. Характер исследований носит и прикладную пользу: в мире проложены тысячи километров водо-, нефте-, газо-, продуктопроводов. Чем больше будет внедряться технических решений по уменьшению турбулентности при транспортировке, тем более эффективной она будет.

Как лично я это воспринимаю (возможны ошибки в моих рассуждениях).

Рассмотрм потоки воды солидных диаметров, так чтобы поверхностное натяжение не влияло на процессы.

Есть такая штуковина, как «неустойчивость Кельвина — Гельмгольца» https://ru.wikipedia.org/wiki/Неустойчивость_Кельвина_—_Гельмгольца

Возьмем гладкую поверхность воды, будем над ней дуть ветерком. Если появится хотя бы микроскопическая неровность, то размер этой неровности начнет увеличиваться, и на поверхности воды вознинет волна (точнее — волны).

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<2000, то течение в трубе постепенно станет ламинарным, даже если было до этого турбулентным.
Если Re>3000, то течение в трубе постепенно станет турбулентным, даже если было до этого ламинарным.
2000<Re<3000 — "переходной случай". Остальное очевидно. Делаем "успокоитель" из набора трубочек малого диаметра. "Успокоитель" должен иметь некую длину, чтобы успеть преобразовать турбулентный поток в ламинарный. "Успокоитель" по конструктивным причинам не запихивают прямо в сопло. Небольшое расстояние между концом "успокоителя" и соплом не опасно — поток не успеет вернуться в турбулентый вид.

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.

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.

ламинарный против турбулентного потоки

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.


Похожие посты

«Гамлет», краткое содержание по актам и сценам трагедии Уильяма Шекспира

Glavnii

Как правильно писать слова ПОДСКОЛЬЗНУЛСЯ ИЛИ ПОСКОЛЬЗНУЛСЯ… — Полезная информация для всех

Glavnii

Ударение в слове «средства». Правила ударения

Glavnii
Adblock
detector