층류와 난류. 유체 유동 영역

액체 및 가스 흐름의 특성을 공부하는 것은 산업 및 공공 매우 중요하다. 물 수송 속도에 층류와 난류 효과, 오일은 다양한 목적을 위해 천연 가스 파이프 라인, 다른 매개 변수에 영향을 미친다. 이러한 문제는 과학 유체 역학을한다.

분류

유체 유동 영역과 가스 환경 과학 두 뚜렷한 부류로 나누어진다 :

• 층류 (잉크젯);
• 난류.

또한 과도기적 단계를 구분합니다. 또한, 용어 "액상"은 넓은 의미를 갖는다 : 그것은 비압축성 일 수있다 (실제로 액체), 압축성 (가스), 도전성 등 ..

병력

1880 년 멘델레예프 다른 두 대향 유동 영역의 존재의 아이디어가 발현되었다. 자세한 내용은이 문제에 대한 1883 년 연구를 완료 영국의 물리학 자와 엔지니어 오스본 레이놀즈를 조사했다. 거의 혼합 병렬 경로를 따라 이동되지 층 (입자 흐름) : 우선, 실제로 다음이 액체 운반의 저 유량으로 층류 형태가되도록 발견되는 공식을 사용. 그러나, 소정의 임계 값 (다른 조건이 다름) 극복하고, 표제 레이놀즈 수의 액체 유동 조건이 변경된다 제트 흐름 무질서하게 소용돌이 - 즉 난류. 알고 보니, 이러한 매개 변수는 어느 정도 고유 및 가스이다.

실용 영어 과학자 계산의 문제는 예를 들어, 물, 그것은 흐르는 탱크 (파이프, 채널, 모세관, 등)의 형상 및 크기에 크게 의존하는 것으로 나타났다. - (압력 배관을 장착하기 위해 사용 된 예)은 원형 단면을 갖는 배관은, 그 레이놀즈 수의 화학식 임계 상태는 개방 채널 유동 2300 = 다시 다음과 같이 설명한다 레이놀즈 수는 더 : 재 작은 값 900 = Re는 규칙적이며 혼란 - 대형에서.

층류

층류는 난류 특성 물의 방향은 달리 (가스)가 흐른다. 그들은 혼합하지 않고 맥동없이 레이어를 이동합니다. 즉, 상기 이동은 가압 방향과 속도 불안정 점프없이 균일하게 일어난다.

유체 유동은 층류 좁은, 예를 들면, 형성되는 혈관 (파이프 라인을 통해 연료 유) 매우 점성 액체의 전류로, 생물, 식물 모세관과 유사한 조건 하에서. 제트 유동을 시각화하는 것은 다소 수돗물을 표시하기에 충분한 물 - 혼합없이 균일 조용히 흐른다. 끝으로 원주를 풀어하면, 시스템 압력은 증가되고 유동 혼란해질 것이다.

난류

인접 입자가 실질적으로 평행 한 경로를 따라 이동할 상기 층류 달리 유체의 난류 성질은 무질서하다. 우리는 라그랑주 방법을 사용하는 경우, 입자의 궤적을 임의로 겹쳐 매우 예기치 못한 방식으로 동작 할 수 있습니다. 이러한 조건에서 액체 및 가스의 운동은 nonstationarities는 매우 넓은 범위를 가질 수 이러한 매개 변수는 항상 과도이다.

난류 정권의 진행으로 층류의 가스 흐름으로, 여전히 공중에 불타는 담배 연기의 예를하게 표현으로 모니터링 할 수 있습니다. 우선, 입자는 시간에 거의 변하지 병렬 경로를 이동한다. 연기가 고정 된 것 같다. 그런 다음 갑자기 어떤 점에서 완전히 무작위로 이동 큰 소용돌이가있다. 이 소용돌이는 작은 것들에 헤어 - 그래서 심지어 작고로. 결국, 실질적으로 주변 공기와의 혼합을 연기.

난류주기

위의 예는 교과서, 그리고 자신의 관찰에서 과학자들은 다음과 같은 결론을 만들었습니다 :

1. 층류와 난류 자연의 확률은 다음과 같습니다 다른 하나 개의 모드에서 전환이 정확하게 올바른 장소에하지 않고, 상당히 임의의 임의의 위치에.
2. 먼저, 연기하게 표현 크기보다 더 큰 큰 와류가있다. 운동은 불안정 강하게 이방성된다. 큰 흐름이 불안정하게하고 작아에 헤어. 따라서, 와류의 계층이 존재한다. 운동 에너지가 작은 대형에서 전달하고,이 프로세스의 끝에서 사라지고있다 - 에너지 손실은 작은 규모로 발생한다.
3. 난류 흐름이 불규칙 : 특정 소용돌이는 완전히 무작위, 예측할 수없는 장소에있을 수 있습니다.
4. 주변 공기와 연기를 혼합하는 것은 층류에서 개최하고, 난류하지 않습니다 - 아주 많이 있습니다.
5. 모든 가스 동적 매개 변수가 시간이 지남에 따라 변경 - 경계 조건은 고정 있다는 사실에도 불구하고, 난류 자체가 자연의 뚜렷한 과도있다.

난류의 또 다른 중요한 특성이있다 : 항상 세 가지 차원이다. 우리는 파이프 또는 두 차원 경계층의 일차원 유동을 고려하더라도 여전히 난류 와류의 운동은 세 좌표축의 방향에서 발생한다.

레이놀즈 수 : 화학식

층류의 전환은 소위 임계 레이놀즈 수 특징 난류 :

_{= CR (ρuL / μ) 다시} CR,

여기서 ρ - 밀도 스트림 U - 유량 특성; L은 - 특성 크기 흐름 μ - 계수 동적 점도를, CR을 -위한 튜브에 의해 단면 원형.

예를 들어, 파이프 L의 속도 U와 흐름으로 사용되는 파이프 직경. 오스본 레이놀즈는 보여 주었다이 경우, 2300 <다시 _CR <20000. 확산이 매우 큰, 크기의 거의 순서.

유사한 결과는 웨이퍼상의 경계면에서 얻어진다. 특성 크기는 다음 플레이트의 전방 에지로부터의 거리로 간주하고, 3 × ¹⁰⁵ <다시 _CR <4 × ^104. L이 경계층의 두께, 2700로 정의되는 경우 <다시 _CR <9000. 레이놀즈 _CR 값이 더 큰 수 있음을 도시 한 실험 연구가있다.

속도 섭동의 개념

층류와 난류 흐름 따라 레이놀즈 수 (Re)의 임계 값은 다른 요소들에 의존한다. 압력 구배 편의상 등 범프 거칠기 외부 유동 난류 강도 차동 온도의 높이에서,이 골재 요인 섭동 속도라고 그들은 유량에 어떤 영향을 미칠 수 있기 때문이다. 이 방해가 작은 경우, 속도 필드를 정렬하고자하는 점성력을 해결 할 수 있습니다. 흐름의 큰 동요가 불안정해질 수 있습니다 들어, 난류가 발생합니다.

: 관성력과 점성력의 비율은 원망 식 커버 플로우 - 레이놀즈 수의 물리적 의미를 감안할

다시 = ρuL / μ = ρu ² / (μ × (U / L )).

분자가 두 배 속도 수두와 분모 - L이 경계층의 두께로 촬영 된 경우의 값이 마찰 응력의 순서이다. 동적 압력이 균형을 파괴하는 경향이 마찰 세력 이 반대한다. 왜 그러나, 그것은 불분명 관성의 세력 들이 1000 배 더 점성 세력이있는 경우에만 (또는 속도 압력)의 변화로 이어집니다.

계산 및 사실

아마도, 더 편리 다시 _CR 절대적이지 유속을 U, 및 속도 섭동 특성 속도로 이용 될 수있다. 이 경우, 임계 레이놀즈 수는 난류 흐름으로 5 배 이상 층류 동압 외란 점성 응력을 초과하는, 즉 10이 될 것이다. 일부 과학자에 따라 다시이 정의는 또한 다음과 같은 실험적으로 입증 된 사실에 의해 설명된다.

_CR은 무한대 다시 완벽하게 매끄러운 표면에 완벽하게 균일 한 속도 프로파일 전통적 횟수에 의해 결정 내용, 즉 전이 실제로 난류 발생한다. 여기서, 레이놀즈 수는 10과 동일 임계 값 아래 섭동 속도의 크기에 의해 결정된다.

인공 난류의 존재에서, 기본 요금과 비교 스플래시 레이트 일으키는 흐름 속도의 절대 값으로부터 결정 레이놀즈 난류 _CR보다 훨씬 낮은 레이놀즈 _{수를하게된다.} 이 특성 속도는 상기 이유에 의한 속도 섭동의 절대 값 _CR = 10, 다시 계수의 사용을 허용한다.

파이프 라인의 층류 정권의 안정성

층류와 난류는 다양한 조건 하에서 가스 및 액체의 모든 형태에 공통이다. 유동의 층류 자연 드물다 좁은 지하 스트림 평원, 예를 들면, 특징이다. 훨씬 더,이 문제는 파이프 라인 물, 기름, 가스 등의 유체에 의한 수송을위한 실용적인 응용 프로그램의 맥락에서 과학자의 관심사이다.

본 연구의 주요 흐름의 운동을 방해에 Q 층류 안정성은 밀접하게 관련된다. 그것은 소위 작은 섭동에 의해 영향을받는 것으로 나타났다. 그들이 성장 또는 시간이 지남에 따라 사라질 여부에 따라 기본 흐름은 안정 또는 불안정으로 간주됩니다.

압축 및 압축 할 수없는 유체

층류와 난류 유체의 흐름에 영향을 미치는 요인 중 하나는 압축성이다. 이 유체 속성은 기본 전류의 급격한 변화와 비 고정 프로세스의 안정성의 연구에서 특히 중요하다.

연구는 원통 부의 튜브 비압축성 유체의 층류 시간과 공간에서 상대적으로 작은 축 대칭 비 대칭 교란에 내성이 있음을 나타낸다.

주 전류는 두 개의 좌표에 의존적이다 최근 계산은 원통형 관의 입구 부에서 대칭 유동 저항상의 외란의 영향에 대해 수행된다. 파이프의 좌표축은 메인 유동 파이프의 반경에 따른 속도 분포에 영향을 미치는 파라미터로서 고려된다.

결론

연구의 세기에도 불구하고, 우리는 층류와 난류가 철저하게 연구되는 것을 말할 수 없습니다. 마이크로 수준에서 실험 연구는 합리적인 계산 정당성을 요구하는 새로운 문제를 제기. 물, 기름, 가스 및 제품의 킬로미터의 세계의 수천 : 연구의 특성은 응용 프로그램과 사용하는 것입니다. 운송 중 난류의 감소에 대한 이상 도입 기술 솔루션은 더 효과적이 될 것입니다.