Ламинарный поток - Laminar flow

На краю этого водопада можно увидеть как плавный и четкий ламинарный поток, так и турбулентный поток с пеной.
Профиль скорости, связанный с ламинарным потоком, напоминает колоду карт. Этот профиль потока жидкости в трубе показывает, что жидкость действует слоями, которые скользят друг по другу.

В динамика жидкостей, ламинарный поток характеризуется плавным движением частиц жидкости в слоях, причем каждый слой плавно движется мимо соседних слоев с небольшим перемешиванием или без него.[1] При низких скоростях жидкость имеет тенденцию течь без бокового перемешивания, и соседние слои скользят друг мимо друга как играя в карты. Нет ни поперечных токов, перпендикулярных направлению потока, ни водовороты или водовороты 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 высокой диффузия импульса и низкий импульс конвекция.

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 порогового значения, при котором поток становится турбулентным. Скорость определяется безразмерным параметром, характеризующим поток, который называется Число Рейнольдса, который также зависит от вязкости и плотности жидкости и размеров канала. Турбулентный поток - это менее упорядоченный режим потока, который характеризуется водовороты или небольшие пакеты жидких частиц, которые приводят к боковому перемешиванию.[2] В ненаучных терминах ламинарный поток гладкий, а турбулентный поток грубый.

Связь с числом Рейнольдса

А сфера в потоке Стокса, при очень низком Число Рейнольдса. Объект, движущийся в жидкости, испытывает сила сопротивления в направлении, противоположном его движению.

Тип потока, происходящего в жидкости в канале, важен для задач гидродинамики и впоследствии влияет на высокая температура и массообмен в жидкостных системах. В безразмерный Число Рейнольдса является важным параметром в уравнениях, которые описывают, приводят ли полностью развитые условия потока к ламинарному или турбулентному потоку. Число Рейнольдса - это отношение инерционная сила к сила сдвига жидкости: насколько быстро жидкость движется относительно того, как вязкий это 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, т.е. ламинарно-турбулентный переход диапазон зависит от небольших уровней возмущений в жидкости или недостатков в системе потока. Если число Рейнольдса очень мало, намного меньше 1, тогда жидкость будет демонстрировать Стокса, или ползущий, поток, где 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: течь по трубе, где число Рейнольдса определяется как

куда:

DЧАС это гидравлический диаметр трубы (м);
Q это объемный расход (м3/ с);
А - площадь поперечного сечения трубы (м2);
ты - средняя скорость жидкости (Единицы СИ: РС);
μ это динамическая вязкость жидкости (Па · с = Н · с / м2 = кг / (м · с));
ν это кинематическая вязкость жидкости, ν = μ/ρ (м2/ с);
ρ это плотность жидкости (кг / м3).

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, подвешенных в жидкости, другие определения чисел Рейнольдса могут использоваться для прогнозирования типа обтекания объекта. Число Рейнольдса частицы Reп будет использоваться, например, для частиц, взвешенных в текущих жидкостях. Как и поток в трубах, ламинарный поток обычно возникает с более низкими числами Рейнольдса, в то время как турбулентный поток и связанные с ним явления, такие как вихреобразование, происходят с более высокими числами Рейнольдса.

Примеры

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 у стенок до максимальной вдоль центра поперечного сечения сосуда. Профиль ламинарного потока в трубе можно рассчитать, разделив поток на тонкие цилиндрические элементы и приложив к ним силу вязкости.[5]
  2. Другой пример - поток воздуха над самолетом. крыло. В пограничный слой представляет собой очень тонкий слой воздуха, лежащий над поверхностью крыла (и всех других поверхностей самолета). Потому что воздух имеет вязкость этот слой воздуха имеет тенденцию прилипать к крылу. По мере того, как крыло движется вперед по воздуху, пограничный слой сначала плавно обтекает обтекаемую форму крыла. профиль. Здесь течение ламинарное, а пограничный слой представляет собой 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 уходит кран при небольшой силе он сначала демонстрирует ламинарный поток, но когда сразу же наступает ускорение под действием силы тяжести, число Рейнольдса потока увеличивается со скоростью, и ламинарный поток может переходить в турбулентный поток. При этом оптическая прозрачность уменьшается или полностью теряется.
  5. Сочетание ламинарного и турбулентного течения у водопада. Ламинарный (точно над гребнем) и турбулентный поток (сразу после белой пены) водопад 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

Экспериментальная камера для учебы хемотаксис 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 загрязняющих веществ 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. А реактор с ламинарным потоком (LFR) - это реактор который использует ламинарный поток для изучения химических реакций и механизмов процесса.

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ Стритер, В. (1951-1966) Механика жидкости, Раздел 3.3 (4-е издание). Макгроу-Хилл
  2. ^ а б Геанкоплис, Кристи Джон (2003). Транспортные процессы и принципы разделения. Профессиональный технический справочник Prentice Hall. ISBN  978-0-13-101367-4. В архиве из оригинала от 01.05.2015.
  3. ^ Ноукс, Кэт; Сани, Эндрю (январь 2009 г.). «Реальные жидкости». Введение в механику жидкости. Университет Лидса. Архивировано из оригинал 21 октября 2010 г.. Получено 23 ноября 2010.
  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:2011Научный ... 333..192А. Дои:10.1126 / science.1203223. PMID  21737736. S2CID  22560587.
  5. ^ Нейв, Р. (2005). "Ламинарный поток". Гиперфизика. Государственный университет Джорджии. В архиве из оригинала 19 февраля 2011 г.. Получено 23 ноября 2010.
  6. ^ Андерсон, Дж. Д. (1997). История аэродинамики и ее влияние на летательные аппараты. Издательство Кембриджского университета. ISBN  0-521-66955-3.
  7. ^ Роджерс, Д. Ф. (1992). Анализ ламинарного потока. Издательство Кембриджского университета. ISBN  0-521-41152-1.
  8. ^ Кирилл 578. «Ламинарное течение в природе». YouTube. Получено 17 декабря 2019.

внешняя ссылка