الصفحي والتدفق المضطرب. وسائط التدفق

دراسة خصائص تدفقات السوائل والغازات مهمة جدا للصناعة والخدمات المجتمعية. الصفحي والتدفق المضطرب يؤثر على سرعة نقل المياه والنفط والغاز الطبيعي من خلال خطوط الأنابيب لأغراض مختلفة، ويؤثر على غيرها من المعالم. علم الهيدروديناميكا يتعامل مع هذه المشاكل.

تصنيف

في بيئة علمية، تنقسم أنظمة التدفق من السائل والغازات إلى فئتين مختلفتين تماما:

• الصفحي (طائرة)؛
• مضطربة.

أيضا تمييز المرحلة الانتقالية. بالمناسبة، فإن مصطلح "السائل" له معنى واسع: يمكن أن يكون غير قابل للضغط (إنه في الواقع سائل)، قابل للانضغاط (غاز)، موصل، إلخ.

تاريخ الحالة

وفي عام 1880 أعرب مندلييف أيضا عن فكرة وجود نظامين متقابلين للتدفق. درس الفيزيائي والمهندس البريطاني أوسبورن رينولدز هذه المسألة بمزيد من التفصيل، واستكمل البحث في عام 1883. أولا، عمليا، وبعد ذلك بمساعدة الصيغ أسس أنه، في سرعة تدفق منخفضة، حركة السوائل تأخذ على شكل رقائقي: الطبقات (تدفقات الجسيمات) هي بالكاد مختلطة والتحرك على طول مسارات موازية. ومع ذلك، بعد التغلب على قيمة حرجة معينة (لظروف مختلفة هو مختلف)، ودعا عدد رينولدز، وتدفق أنظمة تدفق السوائل: تيار طائرة يصبح الفوضى، دوامة - وهذا هو، المضطربة. كما اتضح، هذه المعلمات هي إلى حد ما غريبة للغازات.

وقد أظهرت الحسابات العملية للعالم الإنجليزي أن سلوك المياه، على سبيل المثال، يعتمد بشدة على شكل وحجم الخزان (الأنابيب والقنوات والشعيرات الدموية وغيرها) التي يتدفق من خلالها. في الأنابيب ذات المقطع العرضي الدائري (المستخدمة في تركيب خطوط أنابيب الضغط)، رقم رينولدز - صيغة الحالة الحرجة موصوفة كما يلي: ري = 2300. بالنسبة للتدفق على طول القناة المفتوحة، يكون رقم رينولدز مختلفا: ري = 900. عند قيم ري أقل، سيتم ترتيب التدفق، بشكل عام - الفوضوية.

تدفق الصفحي

الفرق بين تدفق الصفحي والتدفق المضطرب هو في طبيعة واتجاه تدفقات المياه (الغاز). أنها تتحرك في طبقات، وليس خلط وبدون نبضات. وبعبارة أخرى، الحركة يمر بشكل موحد، دون ضغط عشوائي يقفز، الاتجاه والسرعة.

يتم تشكيل تدفق الصفحي من السوائل، على سبيل المثال، في الأوعية الدموية الضيقة من المخلوقات الحية والشعيرات الدموية النباتية وتحت ظروف مماثلة، خلال تدفق السوائل اللزجة جدا (زيت الوقود من خلال خط أنابيب). لرؤية بصريا تيار طائرة، وهو ما يكفي لفتح قليلا الصنبور المياه - سوف تتدفق المياه بهدوء، بالتساوي، من دون خلط. إذا تم تشغيل الصنبور إلى النهاية، فإن الضغط في النظام زيادة وسوف تصبح الحالية الفوضى.

تدفق المضطرب

على النقيض من تدفق الصفحي، حيث الجسيمات القريبة تتحرك على طول مسارات موازية عمليا، تدفق المضطرب من السوائل هو المختل. إذا استخدمنا نهج لاغرانج، فإن مسارات الجسيمات تتقاطع بشكل تعسفي وتتصرف بشكل غير متوقع. إن حركات السوائل والغازات في ظل هذه الظروف تكون دائما غير مستقرة، ويمكن أن تكون معلمات هذه الدول غير المستقرة ذات نطاق واسع جدا.

كما يتحول نظام تدفق الصفحي من الغاز إلى واحد مضطرب، يمكن للمرء أن تتبع ذلك على سبيل المثال من هزيلة الدخان من السجائر المشتعلة في الهواء لا يزال. في البداية، الجسيمات تتحرك عمليا بالتوازي مع مسارات ثابتة. يبدو أن الدخان بلا حراك. ثم في مكان فجأة هناك الدوامات الكبيرة، التي تتحرك تماما تشاوتيكالي. هذه الدوامات تفرق إلى أصغر منها، تلك إلى أصغر منها وهلم جرا. في النهاية، يتم خلط الدخان عمليا مع الهواء المحيط.

دورات الاضطراب

المثال أعلاه هو كتاب مدرسي، ومن ملاحظته استنتج العلماء الاستنتاجات التالية:

1. إن التدفق الصفحي والمضطرب له طابع احتمالي: الانتقال من وضع إلى آخر لا يحدث في مكان محدد بدقة، ولكن في مكان عشوائي تعسفي إلى حد ما.
2. أولا، تظهر الدوامات الكبيرة، التي حجمها أكبر من حجم هزيلة الدخان. يصبح الحركة غير ثابتة ومتباين الخواص. تدفقات كبيرة تفقد الاستقرار وتنهار إلى أصغر وأصغر. وهكذا، ينشأ تسلسل هرمي كامل للدوائر. يتم نقل الطاقة من الحركة من الكبيرة إلى الصغيرة، وفي نهاية هذه العملية يختفي - يحدث تبديد الطاقة على نطاق صغير.
3. نظام التدفق المضطرب عشوائي: واحد أو آخر دوامة يمكن أن تظهر في مكان تعسفي تماما، لا يمكن التنبؤ بها.
4. لا يحدث خلط الدخان مع الهواء المحيط عمليا تحت نظام الصفحي، وعندما المضطرب، هو مكثف جدا.
5. على الرغم من أن شروط الحدود هي ثابتة، الاضطراب نفسه له طابع غير ثابت واضح - جميع المعلمات غاسديناميك تختلف مع مرور الوقت.

هناك خاصية هامة أخرى من الاضطراب: هو دائما ثلاثي الأبعاد. وحتى إذا نظرنا في تدفق أحادي البعد في أنبوب أو طبقة حدودية ثنائية الأبعاد، فإن حركة الأجسام المضطربة لا تزال تتدفق في اتجاهات محاور الإحداثيات الثلاثة جميعها.

رقم رينولدز: الصيغة

ويتسم الانتقال من اللامينارية إلى الاضطراب بما يسمى رقم رينولدز الحرج:

ري _كر = (ρuL / μ) _كر،

حيث ρ هي كثافة التدفق، u هي سرعة تدفق مميزة؛ L هو حجم تدفق مميزة، μ هو معامل اللزوجة الديناميكية، و كر هو تدفق على طول أنبوب مع مقطع عرضي دائري.

على سبيل المثال، لتدفق مع سرعة ش في الأنابيب، ويستخدم قطر الأنابيب كما L. أوسبورن رينولدز أظهرت أنه في هذه الحالة 2300 <ري _كر <20000. انتشار كبير جدا، تقريبا أمر من حيث الحجم.

يتم الحصول على نتيجة مماثلة في طبقة الحدود على لوحة. البعد المميز هو المسافة من الحافة الأمامية للوحة، ثم: 3 × 10 ⁵ <ري _كر <4 × 10 ⁴ . إذا تم تعريف L بأنه سمك طبقة الحدود، ثم 2700 <ري _كر <9000. هناك دراسات تجريبية أظهرت أن قيمة ري _كر قد تكون أكبر.

مفهوم اضطراب السرعة

ويعتمد التدفق الصفحي والتدفق المضطرب للسائل، وبالتالي القيمة الحرجة لرقم رينولدز (ري) على عدد أكبر من العوامل: تدرج الضغط، وارتفاع عقدة الخشونة، والاضطراب في التدفق الخارجي، والفرق في درجة الحرارة، وما إلى ذلك. وتسمى هذه العوامل الإجمالية أيضا الاضطرابات السرعة ، لأن لديهم تأثير معين على سرعة التدفق. إذا كان هذا الاضطراب صغير، فإنه يمكن إطفاء بواسطة قوى لزجة تميل إلى تحقيق المساواة في مجال السرعة. في حالة الاضطرابات الكبيرة، يمكن أن يفقد التدفق الاستقرار، وينشأ الاضطراب.

وإذ تضع في اعتبارها أن المعنى المادي لرقم رينولدز هو نسبة القوى بالقصور الذاتي وقوى اللزوجة، فإن اضطراب التدفقات يخضع للصيغة التالية:

ري = ρuL / μ = ρu ² / (μs (u / L)).

في البسط هناك رئيس سرعة مضاعفة، وفي المقام هناك كمية من ترتيب الإجهاد الاحتكاك، إذا تم أخذ سماكة طبقة الحدود باسم L. ضغط عالية السرعة يميل إلى تدمير التوازن، وقوى الاحتكاك مواجهة هذا. ومع ذلك، ليس من الواضح لماذا قوى الجمود (أو عالية السرعة الرأس) تؤدي إلى تغييرات فقط عندما تكون 1000 مرة أكبر من قوى اللزوجة.

الحسابات والحقائق

ربما، سيكون أكثر ملاءمة لاستخدام سرعة مميزة في ري _كر لا سرعة تدفق المطلقة ش، ولكن اضطراب السرعة. في هذه الحالة، فإن عدد رينولدز الحرجة سيكون من ترتيب 10، وهذا هو، إذا تجاوز رئيس السرعة الإجهادات اللزجة بعامل 5، تدفق الصفحي من السائل يتدفق إلى واحد مضطرب. هذا التعريف ل ري في رأي عدد من العلماء يفسر جيدا الحقائق التالية أكدت تجريبيا.

للحصول على لمحة عن سرعة موحدة بشكل مثالي على سطح أملس مثالي، فإن العدد المحدد تقليديا ري _كر يميل إلى ما لا نهاية، أي أنه لا يوجد عمليا أي انتقال إلى الاضطراب. ولكن عدد رينولدز، الذي يحدده حجم الاضطراب السرعة هو أقل من واحد الحرج، وهو ما يعادل 10.

في وجود المضطربات الاصطناعية، والتي تتسبب في سرعة تسريع مماثلة للسرعة الرئيسية، يصبح تدفق المضطرب في قيم أقل بكثير من عدد رينولدز من ري _كر ، تحدد من القيمة المطلقة للسرعة. وهذا يسمح لنا باستخدام قيمة معامل ري _كر = 10، حيث يتم استخدام قيمة الاضطراب السرعة المطلقة، الناجمة عن الأسباب المذكورة أعلاه، وسرعة مميزة.

استقرار تدفق الصفحي في خط الأنابيب

الصفحي والتدفق المضطرب هو نموذجي لجميع أنواع السوائل والغازات في ظروف مختلفة. في الطبيعة، والتدفقات الصفحي نادرة ونموذجية، على سبيل المثال، لتدفقات تحت الأرض الضيقة في ظروف مسطحة. أكثر من ذلك بكثير هذه المسألة هي للقلق العلماء في سياق التطبيقات العملية لنقل المياه والنفط والغاز وغيرها من السوائل التقنية من خلال خطوط الأنابيب.

يرتبط استقرار تدفق الصفحي ارتباطا وثيقا بالتحقيق في الحركة المضطربة للتدفق الرئيسي. وقد ثبت أنه يخضع لعمل ما يسمى بالاضطرابات الصغيرة. اعتمادا على ما إذا كانت تتلاشى أو تنمو مع مرور الوقت، التيار الرئيسي يعتبر مستقرا أو غير مستقر.

تدفق السوائل المضغوطة وغير القابلة للضغط

واحدة من العوامل التي تؤثر على الصفحي والتدفق المضطرب من السوائل هو قابليتها للضغط. هذه الخاصية من السائل مهم بشكل خاص في دراسة استقرار العمليات غير الثابتة مع التغير السريع في التدفق الأساسي.

وتظهر الدراسات أن تدفق الصفحي من السائل غير قابل للانضغاط في أنابيب اسطوانية مستقرة للاضطرابات أكسيسيمتريك الصغيرة وغير أكسيسيمتريك صغيرة نسبيا في الزمان والمكان.

في الآونة الأخيرة، أجريت حسابات على تأثير الاضطرابات أكسيميتريك على استقرار تدفق في الجزء مدخل أنبوب اسطواني، حيث يعتمد التدفق الرئيسي على إحداثيتين. ويعتبر التنسيق على طول محور الأنبوب كمعلمة يعتمد فيها المظهر الجانبي للسرعة على نصف قطر أنبوب التدفق الرئيسي.

استنتاج

على الرغم من قرون من الدراسة، لا يمكن القول أن كل من الصفحي والتدفقات المضطربة تم دراستها بدقة. ويطرح البحث التجريبي على المستوى الجزئي أسئلة جديدة تتطلب مبررات منطقية. طبيعة البحث هي أيضا من الاستخدام العملي: آلاف الكيلومترات من المياه والنفط والغاز، وخطوط أنابيب المنتجات وضعت في العالم. أكثر الحلول التقنية للحد من الاضطراب أثناء النقل، وأكثر فعالية سيكون.