Из Википедии, бесплатной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску
На краю водопада «Подкова» можно увидеть как гладкий и чистый ламинарный поток, так и турбулентный поток с пеной .
Профиль скорости, связанный с ламинарным потоком, напоминает колоду карт. Этот профиль потока текучей среды в трубе показывает, что текучая среда действует слоями, которые скользят друг по другу.

В динамике жидкости , ламинарный поток характеризуется следующими частицами жидкости гладких путей в слоях, при этом каждый слой плавно мимо соседних слоев с небольшим количеством или без перемешивания. [1] При низких скоростях жидкость имеет тенденцию течь без бокового перемешивания, и соседние слои скользят друг мимо друга, как игральные карты . Здесь нет поперечных токов, перпендикулярных направлению потока, а также водоворотов или завихрений жидкости. [2] В ламинарном потоке частицы жидкости движутся очень упорядоченно, при этом частицы, близкие к твердой поверхности, движутся по прямым линиям, параллельным этой поверхности. [3] Ламинарный поток - это режим потока, характеризующийся высокойдиффузия по импульсу и конвекция с низким импульсом .

Когда жидкость течет через закрытый канал, такой как труба, или между двумя плоскими пластинами, может возникать любой из двух типов потока в зависимости от скорости и вязкости жидкости: ламинарный поток или турбулентный поток . Ламинарный поток возникает при более низких скоростях, ниже порога, при котором поток становится турбулентным. Скорость определяется безразмерным параметром, характеризующим поток, называемым числом Рейнольдса , которое также зависит от вязкости и плотности жидкости и размеров канала. Турбулентный поток - это менее упорядоченный режим потока, который характеризуется завихрениями или небольшими пакетами частиц жидкости, которые приводят к боковому перемешиванию. [2] Говоря ненаучным языком, ламинарный поток - это плавный процесс., а турбулентное течение - грубое .

Связь с числом Рейнольдса [ править ]

Сфера в потоке Стокса, при очень низких числах Рейнольдса . Объект, движущийся в жидкости, испытывает силу сопротивления в направлении, противоположном его движению.

Тип потока происходит в жидкости в канале имеет важное значение в задачах динамики текучих сред , а затем воздействует тепло и массообмен в системах текучих сред. Безразмерное число Рейнольдса является важным параметром в уравнениях , которые описывают ли привести полностью разработанные условия потока в ламинарный или турбулентный поток. Число Рейнольдса отношение силы инерции к сдвигающей силе текучей среды: как быстро жидкость двигается относительно того , как вязкимэто так, независимо от масштаба жидкостной системы. Ламинарный поток обычно возникает, когда жидкость движется медленно или жидкость очень вязкая. По мере увеличения числа Рейнольдса, например, при увеличении скорости потока жидкости, поток будет переходить от ламинарного к турбулентному потоку в определенном диапазоне чисел Рейнольдса, диапазон ламинарно-турбулентного перехода зависит от небольших уровней возмущений в жидкости или дефектов. в проточной системе. Если число Рейнольдса очень мало, намного меньше 1, тогда жидкость будет демонстрировать стоксовое , или ползущее, течение, при котором силы вязкости жидкости преобладают над силами инерции.

Конкретный расчет числа Рейнольдса и значений, при которых возникает ламинарный поток, будет зависеть от геометрии системы потока и характера потока. Типичный пример - поток через трубу , где число Рейнольдса определяется как

куда:

D H - гидравлический диаметр трубы (м);
Q - объемный расход (м 3 / с);
A - площадь поперечного сечения трубы (м 2 );
u - средняя скорость жидкости ( единицы СИ : м / с);
μ - динамическая вязкость жидкости (Па · с = Н · с / м 2 = кг / (м · с));
ν - кинематическая вязкость жидкости, ν =μ/ρ(м 2 / с);
ρ - плотность жидкости (кг / м 3 ).

Для таких систем ламинарный поток возникает, когда число Рейнольдса ниже критического значения примерно 2040, хотя диапазон перехода обычно составляет от 1800 до 2100. [4]

Для жидкостных систем, возникающих на внешних поверхностях, таких как обтекание объектов, взвешенных в жидкости, другие определения чисел Рейнольдса могут использоваться для прогнозирования типа обтекания объекта. Число Рейнольдса Re p частицы может использоваться, например, для частицы, взвешенной в текущих жидкостях. Как и поток в трубах, ламинарный поток обычно возникает при более низких числах Рейнольдса, в то время как турбулентный поток и связанные с ним явления, такие как выпадение вихрей , возникают при более высоких числах Рейнольдса.

Примеры [ править ]

В случае движущейся пластины в жидкости обнаруживается, что существует слой (пластинка), который движется вместе с пластиной, и слой рядом с любой неподвижной пластиной, которая является неподвижной.
  1. Обычное применение ламинарного потока - это плавное течение вязкой жидкости через трубу или трубу. В этом случае скорость потока изменяется от нуля на стенках до максимальной вдоль центра поперечного сечения сосуда. Профиль ламинарного течения в трубе можно рассчитать, разделив поток на тонкие цилиндрические элементы и приложив к ним вязкую силу. [5]
  2. Другой пример - поток воздуха над крылом самолета . Пограничный слой представляет собой очень тонкий лист воздуха , лежащий на поверхность крыла (и все другие поверхности самолета). Поскольку воздух имеет вязкость , этот слой воздуха имеет тенденцию прилипать к крылу. Когда крыло движется вперед по воздуху, пограничный слой сначала плавно обтекает обтекаемую форму аэродинамического профиля . Здесь течение ламинарное, а пограничный слой - ламинарный слой . Прандтль применил концепцию ламинарного пограничного слоя к крыловым профилям в 1904 году. [6] [7]
  3. Обычный пример - медленное, плавное и оптически прозрачное течение мелкой воды через гладкую преграду. [8]
  4. Когда вода выходит из крана с небольшой силой, она сначала демонстрирует ламинарный поток, но когда сразу же наступает ускорение под действием силы тяжести, число Рейнольдса потока увеличивается со скоростью, и ламинарный поток может перейти в турбулентный поток. При этом оптическая прозрачность снижается или полностью теряется.
  5. Сочетание ламинарного и турбулентного течения у водопада. Ламинарный (точно над гребнем) и турбулентный поток (сразу вниз по течению с белой пеной) водопада Виктория.
    В водопадах встречается крупномасштабная версия примеров 3 и 4, так как теперь широкие полосы плавно текущей воды падают на гребень или край водопада. Сразу же переход к турбулентности наступает со скоростью из-за ускорения (число Рейнольдса пересекает порог турбулентности), и пенистая газированная вода заслоняет падающий поток.

Барьеры ламинарного потока [ править ]

Воспроизвести медиа
Экспериментальная камера для изучения хемотаксиса в ответ на ламинарный поток.

Ламинарный воздушный поток используется для разделения объемов воздуха или предотвращения попадания переносимых по воздуху загрязняющих веществ в зону. Вытяжки с ламинарным потоком используются для исключения загрязнений из чувствительных процессов в науке, электронике и медицине. Воздушные завесы часто используются в коммерческих помещениях для предотвращения прохождения нагретого или охлажденного воздуха через дверные проемы. Реактор с ламинарным потоком (LFR) представляет собой реактор , который использует ламинарный поток , чтобы изучить химические реакции и механизмы процессов.

См. Также [ править ]

  • Теория хаоса
  • Уравнение Хагена – Пуазейля
  • Ламинарный проточный реактор
  • Число Рейнольдса
  • Баланс Shell

Ссылки [ править ]

  1. ^ Стритер, В.Л. (1951-1966) Механика жидкости , раздел 3.3 (4-е издание). Макгроу-Хилл
  2. ^ a b Геанкоплис, Кристи Джон (2003). Транспортные процессы и принципы разделения . Профессиональный технический справочник Prentice Hall. ISBN 978-0-13-101367-4. Архивировано 01 мая 2015 года.
  3. ^ Ноукс, Кэт; Сани, Эндрю (январь 2009 г.). «Реальные жидкости» . Введение в механику жидкости . Университет Лидса. Архивировано из оригинального 21 октября 2010 года . Проверено 23 ноября 2010 года .
  4. ^ Avila, K .; Moxey, D .; де Лозар, А .; Avila, M .; Barkley, D .; Хоф, Б. (июль 2011 г.). «Начало турбулентности в потоке труб». Наука . 333 (6039): 192–196. Bibcode : 2011Sci ... 333..192A . DOI : 10.1126 / science.1203223 . PMID 21737736 . S2CID 22560587 .  
  5. Перейти ↑ Nave, R. (2005). «Ламинарный поток» . Гиперфизика . Государственный университет Джорджии. Архивировано 19 февраля 2011 года . Проверено 23 ноября 2010 года .
  6. Перейти ↑ Anderson, JD (1997). История аэродинамики и ее влияние на летательные аппараты . Издательство Кембриджского университета. ISBN 0-521-66955-3.
  7. Перейти ↑ Rogers, DF (1992). Анализ ламинарного потока . Издательство Кембриджского университета. ISBN 0-521-41152-1.
  8. ^ соверен578. «Ламинарное течение в природе» . YouTube . Проверено 17 декабря 2019 .

Внешние ссылки [ править ]

  • 3-метровый водопад с высоким ламинарным потоком, 1:01 м: с, 2016 на YouTube
  • Построить сопло ламинарного потока за $ 15, 8:07 мин: сек, 2008 на YouTube
  • Ламинарный поток малого потока, 2016 г. на YouTube
  • Фонтан в Чикаго, 2014 на YouTube
  • Обратимый ламинарный поток продемонстрирован с синим и зеленым кукурузным сиропом, 2007 г. на YouTube
  • Ламинарное течение в трубе, 2006 г. на YouTube