Τυρβώδης ροή και βελτιστοποιήστε τη ροή

Ανακαλύψαμε ότι το νερό που προέρχεται από μια βρύση έχει ομαλή εμφάνιση ενώ ο ρυθμός ροής είναι χαμηλός, αλλά καθώς αυξάνεται ο ρυθμός ροής, μπορεί να ανιχνευθούν κενά και διαταραχές αφού επιτευχθεί μια συγκεκριμένη τιμή. Σε μια τέτοια περίπτωση, εάν προσθέσουμε ένα ρεύμα μελανιού ενώ η ροή είναι ομαλή, το μελάνι ρέει χωρίς να αναμιγνύεται με τα άλλα στρώματα, ωστόσο αν το εισάγουμε όταν η ροή είναι τυρβώδης, το στρώμα μελανιού αναμιγνύεται με τα άλλα στρώματα νερού. Αυτό το άρθρο θα μας διδάξει για το πρώτο είδος, που είναι η ροή, η στρωτή ή η τυρβώδης ροή.

Τι είναι το Streamline;

Ο εξορθολογισμός είναι η διαδρομή που ακολουθούν τα σωματίδια ρευστού υπό συνθήκες σταθερής ροής. Εάν οι γραμμές ροής παριστάνονται ως καμπύλες, η εφαπτομένη σε οποιοδήποτε σημείο της καμπύλης δείχνει την κατεύθυνση της ταχύτητας του ρευστού σε αυτή τη θέση. Οι καμπύλες, όπως φαίνεται στην παρακάτω εικόνα, αντιπροσωπεύουν τον τρόπο με τον οποίο ταξιδεύουν τα σωματίδια του ρευστού σε σχέση με το χρόνο.

Η καμπύλη απεικονίζει τη σταθερή κίνηση των σωματιδίων του ρευστού. Αυτός ο χάρτης είναι χρονικά στάσιμος, πράγμα που υποδηλώνει ότι κάθε σωματίδιο που διέρχεται από ένα σημείο δρα ακριβώς όπως το σωματίδιο πριν από αυτό.

Βελτιωμένη ροή

Η απλοποιημένη ροή σε υγρά ορίζεται ως μια ροή κατά την οποία τα ρευστά ρέουν σε παράλληλα στρώματα χωρίς διακοπή ή ανάμειξη και η ταχύτητα κάθε σωματιδίου ρευστού που διέρχεται παραμένει σταθερή καθ' όλη τη διάρκεια του χρόνου σε ένα συγκεκριμένο σημείο.

Σε χαμηλές ταχύτητες ρευστού, δεν υπάρχουν τυρβώδεις αλλαγές ταχύτητας και το ρευστό τείνει να ρέει χωρίς πλευρική ανάμειξη. Τα σωματίδια του ρευστού κινούνται με μια ακριβή σειρά σε σχέση με τα σωματίδια που ρέουν σε ευθεία γραμμή παράλληλα με το τοίχωμα του σωλήνα, με αποτέλεσμα τα συνεχόμενα στρώματα να γλιστρούν το ένα δίπλα στο άλλο σαν τραπουλόχαρτα.

Τυρβώδης ροή

Σε αντίθεση με τη στρωτή ροή, η οποία ρέει σε καθαρά κανάλια ή στρώματα, η τυρβώδης ροή είναι μια μορφή κίνησης ρευστού (αερίου ή υγρού) κατά την οποία το ρευστό υφίσταται τυχαίες διακυμάνσεις ή ανάμιξη. Στην τυρβώδη ροή, η ταχύτητα του ρευστού σε ένα δεδομένο σημείο αλλάζει συνεχώς σε μέγεθος και κατεύθυνση.

Ωστόσο, ακόμη και τα ρεύματα είναι ήπια, η κίνηση του ανέμου και η κίνηση του ποταμού είναι συχνά ταραχώδης με αυτή την έννοια. Ο αέρας ή το νερό στροβιλίζεται και στροβιλίζεται καθώς το μεγαλύτερο μέρος του πηγαίνει προς μια συγκεκριμένη κατεύθυνση.

Εκτός από τη στρωτή ροή κοντά στο πρόσθιο άκρο στερεών που κινούνται σε σχέση με τα υγρά ή πολύ κοντά σε στερεές επιφάνειες, όπως το εσωτερικό τοίχωμα ενός σωλήνα, ή τα υγρά υψηλού ιξώδους (σχετικά σημαντική βραδύτητα) που ρέουν αργά μέσω στενών καναλιών, οι περισσότερες ροές ρευστών είναι ταραχώδης. Η ροή του αίματος στις αρτηρίες, η μεταφορά πετρελαίου στους αγωγούς, η ροή λάβας, τα ρεύματα ατμόσφαιρας και ωκεανών, η ροή μέσω αντλιών και στροβίλων και η ροή στις αφύπνιες σκαφών και γύρω από τα άκρα των φτερών του αεροσκάφους είναι όλα παραδείγματα τυρβώδους ροής.

Ο αριθμός Reynolds

Ο αριθμός Reynolds είναι μια αδιάστατη μεταβλητή που υποδεικνύει εάν ένα σχέδιο ροής σε έναν σωλήνα είναι στρωτό ή τυρβώδες. Μπορούμε να προσδιορίσουμε τον αριθμό Reynolds από τον λόγο των δυνάμεων αδράνειας προς τις δυνάμεις ιξώδους.

Ο τύπος αριθμών Reynolds έχει ως εξής:

Re =(p × V × D) / u

Πού,

Ο αριθμός Reynolds είναι Re, η πυκνότητα του ρευστού είναι p, η ταχύτητα ροής είναι V, η διάμετρος του σωλήνα είναι D και το ιξώδες του ρευστού είναι u.

Σημαντικά σημεία

Όταν οι δυνάμεις ιξώδους είναι κυρίαρχες (χαμηλή Re, αργή ροή), επαρκούν για να κρατήσουν όλα τα σωματίδια του υγρού σε ευθεία γραμμή και η ροή είναι στρωτή.
Τυρβώδης ροή εμφανίζεται όταν οι αδρανειακές δυνάμεις υπερισχύουν των ιξωδών δυνάμεων (όταν το ρευστό ρέει πιο γρήγορα και το Re είναι μεγαλύτερο).
Ένας από τους χαρακτηριστικούς αριθμούς που χρησιμοποιούνται για την πρόβλεψη εάν μια κατάσταση ροής θα είναι στρωτή ή τυρβώδης είναι ο αριθμός Reynolds.
V είναι η μέση ταχύτητα ροής, D είναι μια τυπική γραμμική διάσταση, η πυκνότητα του ρευστού, το δυναμικό ιξώδες και το κινηματικό ιξώδες v αποτελούν μέρος του αριθμού Reynolds.
Τυρβώδης ροή εμφανίζεται όταν το Re ξεπεράσει το 4000.
Η ροή μεγαλύτερης ταχύτητας είναι συνήθως απαραίτητη, ωστόσο αυτό εξαρτάται επίσης από το μέγεθος του αντικειμένου.
Η ροή διακρίνεται από την ανομοιόμορφη κίνηση των σωματιδίων του υγρού. Η μέση κίνηση είναι προς την κατεύθυνση ροής.
Το προφίλ ταχύτητας τυρβώδους ροής είναι αρκετά επίπεδο πάνω από το κεντρικό τμήμα ενός σωλήνα και βυθίζεται εντυπωσιακά εξαιρετικά κοντά στους τοίχους. Η μέση ταχύτητα ροής είναι περίπου ίση με την ταχύτητα στο κέντρο του σωλήνα.
Η μαθηματική ανάλυση είναι μια δύσκολη υπόθεση. Η ανάλυση CFD είναι το κύριο εργαλείο για την ανάλυση τυρβωδών ροών.

Συμπέρασμα

Σε μια τέτοια περίπτωση, εάν προσθέσουμε ένα ρεύμα μελανιού ενώ η ροή είναι ομαλή, το μελάνι ρέει χωρίς να αναμιγνύεται με τα άλλα στρώματα, ωστόσο αν το εισάγουμε όταν η ροή είναι τυρβώδης, το στρώμα μελανιού αναμιγνύεται με τα άλλα στρώματα νερού. Στην τυρβώδη ροή, η ταχύτητα του ρευστού σε ένα δεδομένο σημείο αλλάζει συνεχώς σε μέγεθος και κατεύθυνση. Ωστόσο, ο αριθμός Reynolds είναι μια αδιάστατη μεταβλητή που υποδεικνύει εάν ένα σχέδιο ροής σε έναν σωλήνα είναι στρωτό ή τυρβώδες. Ένας από τους χαρακτηριστικούς αριθμούς που χρησιμοποιούνται για την πρόβλεψη του εάν μια κατάσταση ροής θα είναι στρωτή ή τυρβώδης είναι ο αριθμός Reynolds.