ได้รับน้ำไหลเป็นชั้น ๆ อะไรคือความแตกต่างระหว่างการไหลของของเหลวที่ปั่นป่วนและการไหลแบบราบเรียบ?
การถ่ายภาพของลามินาร์โฟลว์
ไหลลื่น- การไหลของของเหลวหรือก๊าซอย่างสงบโดยไม่ผสม ของเหลวหรือก๊าซจะเคลื่อนที่เป็นชั้นที่เลื่อนเข้าหากัน เมื่อความเร็วของชั้นเพิ่มขึ้น หรือเมื่อความหนืดของของไหลลดลง การไหลของลามินาร์ก็จะปั่นป่วน สำหรับของเหลวหรือก๊าซทุกชนิด จุดนี้จะเกิดขึ้นที่หมายเลขเรย์โนลด์ส
คำอธิบาย
กระแสลามินาร์สังเกตได้ในของเหลวหนืดมาก หรือในกระแสที่เกิดขึ้นที่ความเร็วต่ำเพียงพอ เช่นเดียวกับในการไหลของของไหลช้ารอบๆ วัตถุขนาดเล็ก โดยเฉพาะอย่างยิ่ง การไหลแบบลามินาร์เกิดขึ้นในท่อแคบ (เส้นเลือดฝอย) ในชั้นน้ำมันหล่อลื่นในตลับลูกปืน ในชั้นขอบบางๆ ที่ก่อตัวขึ้นใกล้กับพื้นผิวของวัตถุเมื่อมีของเหลวหรือก๊าซไหลรอบตัว เป็นต้น ด้วยความเร็วที่เพิ่มขึ้น ของของเหลวนี้ การไหลแบบลามินาร์สามารถทำให้เกิดกระแสปั่นป่วนที่ไม่เป็นระเบียบได้ ในกรณีนี้ แรงต้านการเคลื่อนไหวจะเปลี่ยนแปลงอย่างรวดเร็ว ระบบการไหลของของไหลมีลักษณะเฉพาะที่เรียกว่า Reynolds number (อีกครั้ง).
เมื่อค่า อีกครั้ง น้อยกว่าจำนวนวิกฤตที่แน่นอน Re kp การไหลของของไหลแบบราบเกิดขึ้น ถ้า Re > Re kp ระบบการไหลอาจจะปั่นป่วน ค่า Re cr ขึ้นอยู่กับประเภทของโฟลว์ที่พิจารณา ดังนั้นสำหรับการไหลเข้า ท่อกลม Re cr ≈ 2200 (ถ้าความเร็วลักษณะเฉพาะคือความเร็วเฉลี่ยเหนือหน้าตัด และขนาดคุณลักษณะคือเส้นผ่านศูนย์กลางของท่อ) ดังนั้นสำหรับ Re kp< 2200 течение жидкости в трубе будет ламинарным.
กระจายความเร็ว
โปรไฟล์การเฉลี่ยความเร็ว:
เอ - ลามิเนตไหล
b - กระแสน้ำปั่นป่วน
ด้วยการไหลแบบลามินาร์ในท่อยาวเป็นอนันต์ ความเร็วในส่วนใด ๆ ของท่อจะแปรผันตาม กฎหมาย V-V 0 (1 - r 2 /a 2 ), ที่ไหน เอ - รัศมีท่อ r - ระยะห่างจากแกน V 0 \u003d 2V sr - ความเร็วในการไหลตามแนวแกน (สูงสุดเป็นตัวเลข) โปรไฟล์ความเร็วพาราโบลาที่สอดคล้องกันจะแสดงในรูปที่ ก.
ความเค้นแรงเสียดทานแปรผันตามรัศมีตามกฎเชิงเส้น τ=τ w r/a ที่ไหน τ w = 4μVav/a - ความเค้นเสียดทานบนผนังท่อ
ในการเอาชนะแรงเสียดสีหนืดในท่อระหว่างการเคลื่อนที่ที่สม่ำเสมอ จะต้องมีแรงดันตกตามยาว ซึ่งมักจะแสดงความเท่าเทียมกัน P1-P2 = λ(l/d)ρV cf 2 /2 ที่ไหน P1 และ P2 - แรงดันเป็น k.-n. สองส่วนในระยะทาง l จากกันและกัน λ - ค่าสัมประสิทธิ์ ความต้านทานขึ้นอยู่กับ อีกครั้ง สำหรับการไหลลื่น λ = 64/อีกครั้ง .
การศึกษาคุณสมบัติของของเหลวและการไหลของก๊าซมีความสำคัญมากสำหรับอุตสาหกรรมและสาธารณูปโภค ลามินาร์และกระแสน้ำปั่นป่วนส่งผลต่อความเร็วของการขนส่งทางน้ำ, น้ำมัน, ก๊าซธรรมชาติผ่านท่อเพื่อวัตถุประสงค์ต่าง ๆ ส่งผลกระทบต่อพารามิเตอร์อื่น ๆ วิทยาศาสตร์ของอุทกพลศาสตร์จัดการกับปัญหาเหล่านี้
การจำแนกประเภท
ในชุมชนวิทยาศาสตร์ ระบบการไหลของของเหลวและก๊าซแบ่งออกเป็นสองประเภทที่แตกต่างกันโดยสิ้นเชิง:
- ลามิเนต (เจ็ท);
- ปั่นป่วน
นอกจากนี้ยังมีระยะเปลี่ยนผ่าน อย่างไรก็ตาม คำว่า "ของเหลว" มีความหมายกว้างๆ: สามารถบีบอัดไม่ได้ (อันที่จริงแล้วเป็นของเหลว) อัดได้ (แก๊ส) เป็นสื่อกระแสไฟฟ้า ฯลฯ
พื้นหลัง
แม้แต่ Mendeleev ในปี 1880 ก็แสดงความคิดเกี่ยวกับการดำรงอยู่ของสองระบอบที่ตรงกันข้ามของกระแส นักฟิสิกส์และวิศวกรชาวอังกฤษ Osborne Reynolds ได้ศึกษาปัญหานี้โดยละเอียดยิ่งขึ้น โดยทำการวิจัยเสร็จสิ้นในปี 1883 ประการแรกในทางปฏิบัติแล้วด้วยความช่วยเหลือของสูตรเขาได้กำหนดว่าด้วยความเร็วการไหลต่ำการเคลื่อนที่ของของเหลวจะได้รูปทรงลามินาร์: ชั้น (การไหลของอนุภาค) แทบจะไม่ผสมและเคลื่อนที่ไปตามวิถีคู่ขนาน อย่างไรก็ตามหลังจากเอาชนะค่าวิกฤตบางอย่างแล้ว (for เงื่อนไขต่างๆมันแตกต่างกัน) เรียกว่าหมายเลข Reynolds ระบบการไหลของของไหลเปลี่ยนไป: เจ็ตสตรีมกลายเป็นกระแสน้ำวน - นั่นคือปั่นป่วน เมื่อมันปรากฏออกมา พารามิเตอร์เหล่านี้เป็นลักษณะของก๊าซในระดับหนึ่งเช่นกัน
การคำนวณเชิงปฏิบัติของนักวิทยาศาสตร์ชาวอังกฤษแสดงให้เห็นว่าพฤติกรรมของตัวอย่างเช่นน้ำขึ้นอยู่กับรูปร่างและขนาดของอ่างเก็บน้ำ (ท่อ, ช่องทาง, เส้นเลือดฝอย ฯลฯ ) ที่ไหลผ่าน ในท่อที่มีหน้าตัดเป็นวงกลม (ใช้สำหรับติดตั้งท่อแรงดัน) หมายเลข Reynolds - สูตรอธิบายดังนี้: Re \u003d 2300 สำหรับการไหลตามช่องเปิดจะแตกต่างกัน: Re \u003d 900 . ที่ค่า Re ที่ต่ำกว่า กระแสจะถูกสั่งที่ขนาดใหญ่ - วุ่นวาย .
ไหลลื่น
ความแตกต่างระหว่างการไหลแบบราบเรียบและการไหลแบบปั่นป่วนอยู่ในธรรมชาติและทิศทางของการไหลของน้ำ (แก๊ส) พวกมันเคลื่อนที่เป็นชั้น ๆ โดยไม่ต้องผสมและไม่มีจังหวะ กล่าวอีกนัยหนึ่ง การเคลื่อนไหวจะสม่ำเสมอโดยไม่มีการกระโดดอย่างไม่แน่นอนในความกดดัน ทิศทาง และความเร็ว
การไหลของของเหลวเป็นชั้น ๆ ตัวอย่างเช่นในสิ่งมีชีวิตที่แคบเส้นเลือดฝอยของพืชและภายใต้เงื่อนไขที่ใกล้เคียงกันในการไหลของของเหลวหนืดมาก (น้ำมันเชื้อเพลิงผ่านท่อ) หากต้องการมองเห็นกระแสน้ำเจ็ทด้วยสายตาก็เพียงพอที่จะเปิดก๊อกน้ำเล็กน้อย - น้ำจะไหลอย่างสงบสม่ำเสมอโดยไม่ต้องผสม หากปิด faucet จนจบ แรงดันในระบบจะเพิ่มขึ้นและการไหลจะเกิดความโกลาหล
กระแสน้ำเชี่ยว
ซึ่งแตกต่างจากการไหลแบบราบเรียบ ซึ่งอนุภาคในบริเวณใกล้เคียงเคลื่อนที่ไปตามวิถีที่เกือบจะขนานกัน การไหลของของเหลวที่ปั่นป่วนไม่เป็นระเบียบ หากเราใช้แนวทางลากรองจ์ เส้นทางโคจรของอนุภาคสามารถตัดกันตามอำเภอใจและมีพฤติกรรมที่คาดเดาไม่ได้ การเคลื่อนที่ของของเหลวและก๊าซภายใต้สภาวะเหล่านี้มักจะไม่เสถียร และค่าพารามิเตอร์ของความไม่คงตัวเหล่านี้สามารถมีช่วงกว้างมาก
การไหลของก๊าซกลายเป็นกระแสปั่นป่วนได้อย่างไร สามารถติดตามได้จากตัวอย่างควันเล็กๆ จากบุหรี่ที่เผาไหม้ในอากาศนิ่ง ในขั้นต้น อนุภาคเคลื่อนที่เกือบจะขนานกันไปตามวิถีที่ไม่เปลี่ยนแปลงตามเวลา ดูเหมือนควันจะยังนิ่งอยู่ จากนั้นในบางแห่งก็มีกระแสน้ำวนขนาดใหญ่ปรากฏขึ้น ซึ่งเคลื่อนที่แบบสุ่มอย่างสมบูรณ์ กระแสน้ำวนเหล่านี้แยกย่อยออกเป็นเกลียวเล็ก ๆ ออกเป็นเกลียวเล็ก ๆ เป็นต้น ในที่สุดควันก็เกือบจะผสมกับอากาศโดยรอบ
วัฏจักรแห่งความปั่นป่วน
ตัวอย่างข้างต้นคือหนังสือเรียน และจากการสังเกตของเขา นักวิทยาศาสตร์ได้ข้อสรุปดังต่อไปนี้:
- การไหลแบบลามินาร์และแบบปั่นป่วนมีลักษณะน่าจะเป็น: การเปลี่ยนจากระบอบการปกครองหนึ่งไปยังอีกระบอบหนึ่งไม่ได้เกิดขึ้นที่สถานที่ที่กำหนดอย่างแม่นยำ แต่อยู่ในสถานที่สุ่มโดยพลการ
- ขั้นแรกให้ปรากฏกระแสวนขนาดใหญ่ซึ่งมีขนาดใหญ่กว่าขนาดของกลุ่มควัน การเคลื่อนไหวจะไม่เสถียรและมีแอนไอโซทรอปิกสูง ลำธารขนาดใหญ่สูญเสียความมั่นคงและแตกออกเป็นลำธารเล็ก ๆ ดังนั้นลำดับชั้นทั้งหมดของกระแสน้ำวนจึงเกิดขึ้น พลังงานของการเคลื่อนไหวของพวกเขาจะถูกถ่ายโอนจากขนาดใหญ่ไปยังขนาดเล็ก และเมื่อสิ้นสุดกระบวนการนี้ พลังงานจะหายไป - การกระจายพลังงานเกิดขึ้นในระดับขนาดเล็ก
- ระบอบการปกครองการไหลปั่นป่วนคือ สุ่มตัวละคร: กระแสน้ำวนอย่างใดอย่างหนึ่งอาจอยู่ในที่ที่คาดเดาไม่ได้โดยสิ้นเชิง
- การผสมของควันกับอากาศโดยรอบแทบไม่เกิดขึ้นในระบอบลามินาร์ และในระบอบการปกครองแบบปั่นป่วนนั้นรุนแรงมาก
- แม้ว่าที่จริงแล้วเงื่อนไขของขอบเขตจะไม่คงที่ แต่ความปั่นป่วนนั้นมีลักษณะที่ไม่คงที่ที่เด่นชัด - พารามิเตอร์ของแก๊สไดนามิกทั้งหมดเปลี่ยนแปลงตามเวลา
ยังมีอีก ทรัพย์สินที่สำคัญความปั่นป่วน: มันเป็นสามมิติเสมอ แม้ว่าเราจะพิจารณาการไหลแบบหนึ่งมิติในท่อหรือชั้นขอบเขตสองมิติ การเคลื่อนที่ของกระแสน้ำวนแบบปั่นป่วนยังคงเกิดขึ้นในทิศทางของแกนพิกัดทั้งสามแกน
หมายเลข Reynolds: สูตร
การเปลี่ยนจากลามินาร์ไปสู่ความปั่นป่วนนั้นมีลักษณะเฉพาะด้วยจำนวนที่เรียกว่า Reynolds วิกฤต:
Re cr = (ρuL/µ) cr,
โดยที่ ρ คือความหนาแน่นของฟลักซ์ u คือความเร็วของฟลักซ์ลักษณะเฉพาะ L คือขนาดคุณลักษณะของการไหล µ คือสัมประสิทธิ์ cr คือการไหลผ่านท่อที่มีหน้าตัดเป็นวงกลม
ตัวอย่างเช่น สำหรับการไหลที่มีความเร็ว u ในท่อ Osborne Reynolds ถูกใช้เป็น L และแสดงให้เห็นว่าในกรณีนี้ 2300 ผลลัพธ์ที่คล้ายกันจะได้รับในชั้นขอบบนจาน ตามมิติลักษณะเฉพาะ ระยะห่างจากขอบชั้นนำของเพลตจะถูกนำมา จากนั้น: 3 × 10 5 การไหลของของไหลแบบลามินาร์และแบบปั่นป่วน และดังนั้น ค่าวิกฤตของตัวเลขเรย์โนลด์ส (Re) จะขึ้นอยู่กับปัจจัยจำนวนมากขึ้น: จากการไล่ระดับความดัน ความสูงของการกระแทกที่หยาบ ความเข้มของความปั่นป่วนในการไหลภายนอก ความแตกต่างของอุณหภูมิ ฯลฯ เพื่อความสะดวก ปัจจัยทั้งหมดเหล่านี้เรียกอีกอย่างว่าการรบกวนความเร็ว เนื่องจากพวกมันมีผลกระทบต่ออัตราการไหล หากการรบกวนนี้มีน้อยก็สามารถดับได้ด้วยแรงหนืดที่พุ่งเข้าหาสนามความเร็วให้เท่ากัน หากมีการรบกวนมาก การไหลจะสูญเสียความเสถียรและเกิดความปั่นป่วนขึ้น เมื่อพิจารณาว่าความหมายทางกายภาพของตัวเลขเรย์โนลด์สคืออัตราส่วนของแรงเฉื่อยและแรงหนืด การรบกวนของกระแสจะอยู่ภายใต้สูตร: Re = ρuL/µ = ρu 2 /(µ×(u/L)) ตัวเศษประกอบด้วยหัวความเร็วสองเท่า และตัวส่วนคือค่าของลำดับความเค้นแรงเสียดทาน หากใช้ความหนาของชั้นขอบเป็น L ความดันความเร็วมีแนวโน้มที่จะทำลายสมดุล และตอบโต้สิ่งนี้ อย่างไรก็ตาม ไม่ชัดเจนว่าทำไม (หรือหัวความเร็ว) นำไปสู่การเปลี่ยนแปลงก็ต่อเมื่อมีค่ามากกว่าแรงหนืด 1,000 เท่าเท่านั้น คงจะสะดวกกว่าถ้าใช้เป็นความเร็วคุณลักษณะใน Re cr ไม่ใช่ความเร็วการไหลสัมบูรณ์ u แต่เป็นการรบกวนของความเร็ว ในกรณีนี้ ค่าวิกฤตของ Reynolds จะอยู่ที่ประมาณ 10 นั่นคือเมื่อการรบกวนแรงดันความเร็วเกินค่าความเค้นหนืด 5 เท่า การไหลของของเหลวแบบราบเรียบของของไหลจะไหลเข้าสู่กระแสความปั่นป่วน คำจำกัดความของ Re ในความเห็นของนักวิทยาศาสตร์จำนวนหนึ่ง อธิบายข้อเท็จจริงที่ได้รับการยืนยันจากการทดลองต่อไปนี้เป็นอย่างดี สำหรับโปรไฟล์ความเร็วที่สม่ำเสมออย่างสมบูรณ์แบบบนพื้นผิวที่เรียบอย่างสมบูรณ์แบบ ตัวเลขที่กำหนดตามธรรมเนียม Re cr มีแนวโน้มที่อนันต์ กล่าวคือ ไม่มีการสังเกตการเปลี่ยนแปลงไปสู่ความปั่นป่วนจริง ๆ แต่จำนวนเรย์โนลด์ส ซึ่งกำหนดโดยขนาดของการรบกวนความเร็วนั้นน้อยกว่าค่าวิกฤต ซึ่งก็คือ 10 เมื่อมีเครื่องกังหันเทียมซึ่งทำให้เกิดความเร็วเพิ่มขึ้นเทียบได้กับความเร็วหลัก การไหลจะปั่นป่วนที่ค่าตัวเลขของ Reynolds ที่ต่ำกว่า Re cr ซึ่งกำหนดจากค่าสัมบูรณ์ของความเร็ว ทำให้สามารถใช้ค่าสัมประสิทธิ์ Re cr = 10 โดยที่ค่าสัมบูรณ์ของการรบกวนความเร็วที่เกิดจากสาเหตุข้างต้นจะถูกนำมาใช้เป็นความเร็วคุณลักษณะ การไหลแบบลามินาร์และแบบปั่นป่วนเป็นลักษณะของของเหลวและก๊าซทุกประเภทภายใต้สภาวะที่แตกต่างกัน โดยธรรมชาติแล้ว กระแสลามินาร์นั้นหายากและเป็นเรื่องปกติ ตัวอย่างเช่น สำหรับกระแสใต้ดินแคบๆ ในสภาพราบ นักวิทยาศาสตร์กังวลมากขึ้นเกี่ยวกับปัญหานี้ในบริบทของการใช้งานจริงในการขนส่งน้ำ น้ำมัน ก๊าซ และของเหลวทางเทคนิคอื่นๆ ผ่านท่อ คำถามเกี่ยวกับความเสถียรของการไหลแบบราบมีความสัมพันธ์อย่างใกล้ชิดกับการศึกษาการเคลื่อนที่ของกระแสหลักที่ถูกรบกวน เป็นที่ยอมรับว่าอยู่ภายใต้อิทธิพลของสิ่งที่เรียกว่าก่อกวนเล็กน้อย กระแสหลักถือว่าเสถียรหรือไม่เสถียรทั้งนี้ขึ้นอยู่กับว่าจางหรือเติบโตเมื่อเวลาผ่านไป ปัจจัยหนึ่งที่ส่งผลต่อการไหลของของเหลวแบบราบเรียบและปั่นป่วนก็คือการอัดตัวของมัน คุณสมบัติของของไหลนี้มีความสำคัญอย่างยิ่งเมื่อศึกษาความเสถียรของกระบวนการที่ไม่คงที่โดยมีการเปลี่ยนแปลงอย่างรวดเร็วในกระแสหลัก จากการศึกษาพบว่าการไหลเรียบของของเหลวที่ไม่สามารถบีบอัดได้ในท่อทรงกระบอกสามารถต้านทานการรบกวนของเวลาและพื้นที่ที่ค่อนข้างเล็กตามแกนสมมาตรและที่ไม่สมมาตร เมื่อเร็ว ๆ นี้ การคำนวณได้ดำเนินการเกี่ยวกับผลกระทบของการรบกวนแกนสมมาตรต่อความเสถียรของการไหลในส่วนขาเข้าของท่อทรงกระบอก ซึ่งการไหลหลักขึ้นอยู่กับสองพิกัด ในกรณีนี้ พิกัดตามแนวแกนของท่อถือเป็นพารามิเตอร์ที่โปรไฟล์ความเร็วตามรัศมีของท่อไหลหลักขึ้นอยู่กับ แม้จะมีการศึกษามาหลายศตวรรษ แต่ก็ไม่สามารถพูดได้ว่ามีการศึกษาทั้งแบบราบเรียบและแบบปั่นป่วนอย่างละเอียดถี่ถ้วน การศึกษาเชิงทดลองที่ระดับไมโครทำให้เกิดคำถามใหม่ซึ่งต้องใช้เหตุผลในการคำนวณอย่างมีเหตุผล ธรรมชาติของการวิจัยยังนำไปใช้ได้จริง: มีการวางท่อส่งน้ำ น้ำมัน ก๊าซ ท่อผลิตภัณฑ์หลายพันกิโลเมตรในโลก ยิ่งมีการแนะนำวิธีแก้ปัญหาทางเทคนิคเพื่อลดความปั่นป่วนระหว่างการขนส่งมากเท่าไร ก็ยิ่งมีประสิทธิภาพมากขึ้นเท่านั้น อุทกพลศาสตร์เป็นสาขาวิชาฟิสิกส์ที่สำคัญที่สุดที่ศึกษากฎการเคลื่อนที่ของของไหลขึ้นอยู่กับสภาวะภายนอก ประเด็นสำคัญที่พิจารณาในอุทกพลศาสตร์คือคำถามในการพิจารณาการไหลของของเหลวที่ราบเรียบและปั่นป่วน เพื่อให้เข้าใจปัญหาของไหลลื่นและไหลเชี่ยวมากขึ้น จำเป็นต้องพิจารณาก่อนว่าสารนี้คืออะไร ของเหลวในฟิสิกส์เรียกว่าสถานะรวมของสสารหนึ่งใน 3 สถานะ ซึ่งภายใต้เงื่อนไขที่กำหนด สามารถคงปริมาตรของสสารได้ แต่ภายใต้อิทธิพลของแรงสัมผัสที่น้อยที่สุดจะเปลี่ยนรูปร่างและเริ่มไหล ของเหลวไม่มีแรงต้านทานต่ออิทธิพลภายนอกที่มีแนวโน้มจะกลับคืนสู่รูปร่างเดิม ซึ่งแตกต่างจากวัตถุที่เป็นของแข็ง ของเหลวแตกต่างจากก๊าซตรงที่สามารถรักษาปริมาตรได้ที่ความดันภายนอกและอุณหภูมิคงที่ ด้านหนึ่งคำถามเกี่ยวกับลามินาร์และการไหลปั่นป่วนถูกกำหนดโดยคุณสมบัติของระบบที่พิจารณาการเคลื่อนที่ของของไหลและในทางกลับกันโดยลักษณะของสารของไหล นี่คือคุณสมบัติหลักของของเหลว: จากการศึกษาคำถามเกี่ยวกับกระแสน้ำที่ปั่นป่วนและราบเรียบ ขั้นแรกให้พิจารณาอย่างหลัง หากของเหลวที่อยู่ในท่อมีความแตกต่างของแรงดันที่ปลายท่อนี้ มันก็จะไหลออกมา หากการไหลของสารสงบและแต่ละชั้นของมันเคลื่อนที่ไปตามวิถีที่ราบเรียบซึ่งไม่ตัดกับเส้นการเคลื่อนที่ของชั้นอื่น ๆ ก็จะพูดถึงระบบการไหลแบบราบเรียบ ในระหว่างนั้น โมเลกุลของเหลวแต่ละโมเลกุลจะเคลื่อนที่ไปตามท่อตามแนววิถี คุณสมบัติของลามินาร์โฟลว์มีดังนี้: ตัวอย่างของการไหลราบเรียบคือกระแสน้ำคู่ขนานที่ไหลจากฝักบัว หากเติมสีย้อมสองสามหยดลงในการไหลแบบเรียบ คุณจะเห็นได้ว่าสีย้อมเหล่านั้นถูกดึงเข้าสู่เจ็ทอย่างไร ซึ่งยังคงไหลอย่างราบรื่นโดยไม่ผสมในปริมาตรของของเหลว โหมดนี้แตกต่างจากลามิเนตโดยสิ้นเชิง การไหลแบบปั่นป่วนเป็นกระแสที่อลหม่านซึ่งแต่ละโมเลกุลจะเคลื่อนที่ไปตามวิถีวิถีที่คาดเดาได้เฉพาะในช่วงเวลาเริ่มต้นเท่านั้น โหมดนี้มีลักษณะเป็นกระแสน้ำวนและการเคลื่อนที่เป็นวงกลมของปริมาตรน้อยในการไหลของของไหล อย่างไรก็ตาม แม้จะมีการสุ่มวิถีโคจรของแต่ละโมเลกุล การไหลโดยรวมจะเคลื่อนที่ไปในทิศทางที่แน่นอน และความเร็วนี้สามารถกำหนดได้โดยใช้ค่าเฉลี่ยบางส่วน ตัวอย่างของกระแสน้ำเชี่ยวกรากคือการไหลของน้ำในแม่น้ำภูเขา หากสีย้อมตกลงไปในกระแสน้ำดังกล่าว จะเห็นได้ว่าในช่วงเริ่มต้นของเวลาเจ็ทจะปรากฏขึ้น ซึ่งจะเริ่มเกิดการบิดเบี้ยวและหมุนเป็นเกลียวเล็กๆ แล้วหายไป โดยผสมในปริมาตรทั้งหมดของของเหลว ระบบการไหลแบบลามินาร์หรือแบบปั่นป่วนขึ้นอยู่กับอัตราส่วนของปริมาณสองปริมาณ: ความหนืดของสารของไหล ซึ่งกำหนดแรงเสียดทานระหว่างชั้นของของไหล และแรงเฉื่อย ซึ่งอธิบายความเร็วของการไหล ยิ่งสารมีความหนืดและอัตราการไหลต่ำเท่าใด โอกาสที่สารจะไหลลื่นก็จะยิ่งสูงขึ้น ในทางกลับกัน หากความหนืดของของไหลต่ำและความเร็วของการเคลื่อนที่สูง การไหลก็จะปั่นป่วน ด้านล่างนี้เป็นวิดีโอที่อธิบายคุณสมบัติของระบบการพิจารณาการไหลของสารอย่างชัดเจน สำหรับการปฏิบัติ คำถามนี้มีความสำคัญมาก เนื่องจากคำตอบนั้นเกี่ยวข้องกับคุณสมบัติของการเคลื่อนที่ของวัตถุในตัวกลางของไหลและขนาดของการสูญเสียพลังงาน การเปลี่ยนแปลงระหว่างการไหลของของเหลวราบเรียบและการไหลของของเหลวปั่นป่วนสามารถประมาณได้โดยใช้ตัวเลขที่เรียกว่าเรย์โนลด์ส พวกมันเป็นปริมาณที่ไม่มีมิติและได้รับการตั้งชื่อตามวิศวกรและนักฟิสิกส์ชาวไอริช Osborne Reynolds ซึ่งเมื่อปลายศตวรรษที่ 19 ได้เสนอให้ใช้พวกมันเพื่อกำหนดโหมดการเคลื่อนที่ของสารของเหลวในทางปฏิบัติ คุณสามารถคำนวณจำนวน Reynolds (การไหลแบบราบและแบบปั่นป่วนของของเหลวในท่อ) โดยใช้สูตรต่อไปนี้: Re = ρ*D*v/μ โดยที่ ρ และ μ คือความหนาแน่นและความหนืดของสารตามลำดับ v คือ ความเร็วเฉลี่ยของการไหล D คือท่อขนาดเส้นผ่านศูนย์กลาง ในสูตร ตัวเศษจะสะท้อนถึงแรงเฉื่อยหรือการไหล และตัวส่วนจะกำหนดแรงเสียดทานหรือความหนืด จากนี้เราสามารถสรุปได้ว่าหากหมายเลข Reynolds สำหรับระบบที่อยู่ระหว่างการพิจารณามีขนาดใหญ่ ของเหลวก็จะไหลในระบบที่ปั่นป่วน และในทางกลับกัน ตัวเลข Reynolds ที่มีขนาดเล็กบ่งชี้ว่ามีการไหลแบบราบเรียบ ดังที่กล่าวไว้ข้างต้น หมายเลข Reynolds สามารถใช้เพื่อกำหนดการไหลแบบราบเรียบและแบบปั่นป่วน ปัญหาคือมันขึ้นอยู่กับคุณสมบัติของระบบ ตัวอย่างเช่น หากท่อมีความผิดปกติบนพื้นผิวด้านใน การไหลของน้ำที่ปั่นป่วนในนั้นจะเริ่มต้นที่อัตราการไหลที่ต่ำกว่าแบบเรียบ สถิติของการทดลองหลายครั้งแสดงให้เห็นว่า ไม่ว่าระบบและธรรมชาติของของไหลจะเป็นอย่างไร ถ้าตัวเลขเรย์โนลด์สน้อยกว่า 2000 การเคลื่อนที่แบบลามินาร์ก็เกิดขึ้น แต่ถ้ามากกว่า 4000 กระแสก็จะปั่นป่วน ค่ากลางของตัวเลข (จาก 2000 ถึง 4000) บ่งชี้ว่ามีระบอบการเปลี่ยนผ่าน ตัวเลขเรย์โนลส์เหล่านี้ใช้เพื่อกำหนดการเคลื่อนที่ของวัตถุและอุปกรณ์ทางเทคนิคต่างๆ ในตัวกลางของไหล เพื่อศึกษาการไหลของน้ำผ่านท่อรูปทรงต่างๆ และยังมีบทบาทสำคัญในการศึกษากระบวนการทางชีววิทยาบางอย่าง เช่น การเคลื่อนที่ ของจุลินทรีย์ในหลอดเลือดของมนุษย์ ส่วนนี้ใช้งานง่ายมาก ในช่องที่เสนอ เพียงป้อนคำที่ต้องการ แล้วเราจะให้รายการความหมายของคำนั้นแก่คุณ ฉันต้องการทราบว่าไซต์ของเราให้ข้อมูลจากแหล่งต่างๆ - พจนานุกรมสารานุกรม คำอธิบาย และอนุพันธ์ ที่นี่ คุณสามารถทำความคุ้นเคยกับตัวอย่างการใช้คำที่คุณป้อน ไหลลื่น
LAMINAR FLOW (จากภาษาละติน lamina - plate, strip) การไหลที่ของเหลว (หรือก๊าซ) เคลื่อนที่เป็นชั้น ๆ โดยไม่ต้องผสม การมีอยู่ของการไหลแบบราบเรียบเป็นไปได้เฉพาะบางอย่างเท่านั้นที่เรียกว่า วิกฤติ หมายเลข Reynolds Recr. ที่ Re มากกว่าค่าวิกฤต การไหลแบบราบเรียบจะปั่นป่วน ไหลลื่น
(จาก lat. lamina ≈ แผ่น) การไหลของของเหลวหรือก๊าซที่สั่งซึ่งของเหลว (แก๊ส) เคลื่อนที่อย่างที่เคยเป็นในชั้นขนานกับทิศทางของการไหล ( ข้าว.) L. t. ถูกสังเกตได้ทั้งในของเหลวที่มีความหนืดสูง หรือในกระแสที่เกิดขึ้นที่ความเร็วต่ำเพียงพอ เช่นเดียวกับในกรณีที่ของเหลวไหลช้าๆ รอบวัตถุขนาดเล็ก โดยเฉพาะอย่างยิ่ง L. t. เกิดขึ้นในท่อแคบ (เส้นเลือดฝอย) ในชั้นน้ำมันหล่อลื่นในตลับลูกปืนในชั้นขอบบาง ๆ ซึ่งก่อตัวขึ้นใกล้กับพื้นผิวของร่างกายเมื่อมีของเหลวหรือก๊าซไหลรอบตัว ฯลฯ ด้วย เพิ่มความเร็วของการเคลื่อนที่ของของเหลวที่กำหนด L. t. สามารถเข้าสู่กระแสปั่นป่วนที่ไม่เป็นระเบียบ ในกรณีนี้ แรงต้านการเคลื่อนไหวจะเปลี่ยนแปลงอย่างรวดเร็ว ระบอบการไหลของของไหลมีลักษณะที่เรียกว่า Reynolds หมายเลข Re. เมื่อค่าของ Re น้อยกว่าจำนวนวิกฤต Rekp จะมี L. t. ของเหลว ถ้า Re > Rekp ระบบการไหลอาจจะปั่นป่วน ค่า Recr ขึ้นอยู่กับประเภทของโฟลว์ที่พิจารณา ดังนั้นสำหรับการไหลในท่อกลม Recr » 2200 (หากความเร็วลักษณะเฉพาะคือความเร็วเฉลี่ยเหนือส่วนตัดขวาง และขนาดลักษณะเฉพาะคือเส้นผ่านศูนย์กลางของท่อ) ดังนั้นสำหรับเรกป์< 2200 течение жидкости в трубе будет Л. т. Расход жидкости при Л. т. в трубе определяется Пуазёйля законом. การเคลื่อนที่ของของไหล
การศึกษาเชิงทดลองจำนวนมากเกี่ยวกับการเคลื่อนที่ของของไหลทำให้สามารถระบุได้ว่าการเคลื่อนที่ของของไหลมีสองรูปแบบ การศึกษาในห้องปฏิบัติการที่สมบูรณ์ที่สุดเกี่ยวกับโหมดการเคลื่อนที่ของของเหลวนั้นดำเนินการโดยนักฟิสิกส์ชาวอังกฤษ O. Reynolds ในการติดตั้ง (รูปที่ 10.1) ซึ่งประกอบด้วยถังเก็บน้ำ 1
, ข้าว. 10.1. รูปแบบการติดตั้งสำหรับสาธิตโหมดการเคลื่อนที่ของของไหล หลอดแก้ว 7
พร้อมปั้นจั่น 8
และเรือ 4
ด้วยสารละลายสีที่เป็นน้ำซึ่งสามารถป้อนในกระแสบาง ๆ ลงในหลอดแก้ว 6
เมื่อเปิด faucet 5
. เติมเรือ 1
ดำเนินการจากการแตะ 2
มีวาล์ว 3
. ที่อัตราการไหลของน้ำต่ำ สีจะไม่ผสมกับสีจริง และมองเห็นลักษณะชั้นของการไหลของของเหลวและไม่มีการผสม Manometer เชื่อมต่อกับท่อ 7
(ไม่แสดงในแผนภาพ) แสดงความคงตัวของแรงดัน พีและความเร็ว v ไม่มีการสั่น (จังหวะ) สิ่งนี้เรียกว่า ไหลลื่น(จากคำภาษาละติน ลามินา-เทป แถบ) เช่น เทปเป็นชั้น ด้วยอัตราการไหลของน้ำในท่อที่เพิ่มขึ้นทีละน้อยโดยการเปิดก๊อก 8
รูปแบบการไหลไม่เปลี่ยนแปลงในตอนแรก จากนั้นที่ความเร็วระดับหนึ่งก็จะเปลี่ยนแปลงอย่างรวดเร็ว หยดของสีเริ่มผสมกับการไหลของน้ำ การก่อตัวของกระแสน้ำวนและการเคลื่อนที่แบบหมุนของของเหลวจะสังเกตเห็นได้ชัดเจน และการเต้นของแรงดันและความเร็วอย่างต่อเนื่องเกิดขึ้นในการไหลของน้ำ กระแสกลายเป็นดังที่เรียกกันทั่วไปว่า ปั่นป่วน(จากคำภาษาละติน ความวุ่นวาย- ไม่เป็นระเบียบ) หากอัตราการไหลลดลง การไหลของลามิเนตจะกลับคืนมา ดังนั้น, ลามิเนตเรียกว่าการไหลของชั้นโดยไม่ผสมอนุภาคของไหลและไม่มีจังหวะของความเร็วและความดัน ด้วยการไหลดังกล่าว เส้นของการไหลของของไหลทั้งหมดจะถูกกำหนดโดยรูปร่างของช่อง ในการไหลแบบลามินาร์ในท่อ กระแสทั้งหมดจะถูกกำกับขนานกับแกนของท่อ การไหลแบบลามินาร์ถูกสั่งที่แรงดันคงที่ของการไหลที่คงที่อย่างเคร่งครัด ระบบ laminar นั้นสังเกตได้เป็นหลักระหว่างการเคลื่อนที่ของของเหลวหนืด (น้ำมัน น้ำมันหล่อลื่น ฯลฯ) และของเหลวที่มีความหนืดน้อยกว่าเมื่อไหลด้วยความเร็วต่ำ ปั่นป่วนเรียกว่าการไหลพร้อมกับการผสมอย่างเข้มข้นของของเหลวและการเต้นเป็นจังหวะของความเร็วและความดัน การเคลื่อนที่ของอนุภาคแต่ละส่วนกลายเป็นความโกลาหลไม่เป็นระเบียบ นอกจากการเคลื่อนที่ในแนวแกนแล้ว ยังสังเกตการเคลื่อนที่แบบหมุนและตามขวางของปริมาตรของเหลวแต่ละปริมาตรอีกด้วย สิ่งนี้อธิบายการเต้นเป็นจังหวะของความเร็วและความดัน เรย์โนลด์สพบว่าปัจจัยหลักที่กำหนดธรรมชาติของการเคลื่อนที่ของของไหลคือความเร็วเฉลี่ยของของไหล v เส้นผ่านศูนย์กลางของท่อ ดีและความหนืดจลนศาสตร์ของของเหลว n. เมื่อพิจารณาถึงอิทธิพลของปัจจัยเหล่านี้ เรย์โนลด์สได้เสนอเกณฑ์ดิจิทัลไร้มิติสำหรับกำหนดระบบการเคลื่อนที่ของของไหล Re=v ดี/n, โดยที่ Re คือหมายเลข Reynolds ไร้มิติหรือเกณฑ์ Reynolds เมื่อทราบพารามิเตอร์ที่ด้านขวาของสูตรนี้แล้ว คุณจะคำนวณค่าของ Re ได้ ความเร็วที่สำหรับของเหลวที่กำหนดและขนาดเส้นผ่าศูนย์กลางของไปป์ไลน์มีการเปลี่ยนแปลงในโหมดการเคลื่อนไหว เรียกว่า วิกฤต. จากประสบการณ์แสดงให้เห็นว่าสำหรับท่อที่มีหน้าตัดเป็นวงกลม ค่าวิกฤตของหมายเลข Reynolds ซึ่งระบบการเคลื่อนที่ของของไหลที่ปั่นป่วนเริ่มต้นขึ้นคือ 2320 ดังนั้นเกณฑ์ของ Reynolds จึงสามารถตัดสินระบอบการเคลื่อนที่ของของไหลในท่อได้ ที่เร< 2320
-
การเคลื่อนไหวเป็นแบบราบเรียบและสำหรับ Re > 2320-
การเคลื่อนไหวที่ปั่นป่วนแนวคิดเรื่องความเร็วรบกวน
การคำนวณและข้อเท็จจริง
ความเสถียรของระบอบการไหลแบบลามิเนตในท่อ
การไหลของของไหลอัดตัวและของเหลวอัดตัวไม่ได้
บทสรุป
ของเหลวคืออะไร?
พารามิเตอร์อธิบายคุณสมบัติของของเหลว
ไหลลื่น
กระแสน้ำเชี่ยว
อะไรเป็นตัวกำหนดการไหลของของไหล?
จะกำหนดระบอบการไหลได้อย่างไร?
ความหมายเฉพาะของตัวเลขเรย์โนลด์สและการใช้งาน
"ไหลลื่น" หมายถึงอะไร?
พจนานุกรมสารานุกรม 1998