Что такое ламинарный поток воды
Режимы течения жидкости. Ламинарный и турбулентный режим
Под режимом течения жидкости понимают кинематику и динамику жидких макрочастиц, определяющую в совокупности структуру и свойства потока вцелом.
Режим движения определяется соотношением сил инерции и трения в потоке. Причем эти силы всегда действуют на жидкие макрочастицы при их движении в составе потока. Хотя это движение может быть вызвано различными внешними силами например силами гравитации и давления. Соотношение этих сил отражает критерий Рейнольдса, которое является критерием режима течения жидкости.
При низких скоростях движения частиц жидкости в потоке преобладают силы трения, числа Рейнольдса малы. Такое движение называется ламинарным.
При высоких скоростях движения частиц жидкости в потоке числа Рейнольдса велики, тогда в потоке преобладают силы инерции и эти силы определяют кинематику и динамику частиц, такой режим называется турбулентным
Вид режима, в значительной мере, влияет на процессы происходящие в потоке, а значит и расчетные зависимости.
Ламинарный режим течения жидкости
Схема установки для иллюстрации режимов течения жидкости показана на рисунке.
Жидкость из бака по прозрачному трубопроводу через кран поступает на слив. На входе в трубу установлена тонкая трубка по которой в центральную часть потока поступает красящее вещество.
Если немного приоткрыть кран, жидкость начнет протекать по трубопроводу с небольшой скоростью. При введении красящего вещество в поток можно будет увидеть как токая струйка красящего вещества в виде линии протекает от начала трубы до ее конца. Это свидетельствует о слоистом течении жидкости, без перемешивания и вихреообразования, и преобладании в потоке сил инерции.
Такой режим течения называется ламинарным.
При ламинарном течении линии тока параллельны оси трубы, т.е. отсутствует поперечные потоку жидкости перемещения.
Турбулентый режим течения
При увеличении расхода через трубу в рассматриваемой установке скорость движения частиц жидкости будет увеличиваться. Струя красящей жидкости начнет колебаться.
Если открыть кран сильнее, расход через трубу увеличится.
Поток красящей жидкости начнет смешиваться с основным потоком, будут заметны многочисленные зоны вихреообразования, перемешивания, в потоке будут преобладать силы инерции. Такой режим течения называется турбулентным.
При турбулентном течении векторы скоростей имеют не только осевые, но и нормальные к оси русла составляющие.
От чего зависит режим течения жидкости
Режим течения зависит от скорости движения частиц жидкости в трубопроводах, геометрии трубопровода.
Как было отмечено ранее, О режиме течения жидкости в трубопроводе позволяет судить критерий Рейнольдса, отражающий отношение сил инерции к силам вязкого трения.
Ламинарный поток — как он выглядит
В динамике жидкости ламинарный (обтекаемый) поток возникает, когда жидкость течёт слоями без разрыва между слоями.
При низких скоростях жидкость имеет свойство течь без бокового перемешивания — соседние слои скользят мимо друг друга, как игральные карты. Здесь нет поперечных токов, перпендикулярных направлению потока, вихрей или пульсаций.
В ламинарном потоке движение частиц жидкости происходит упорядоченно, по прямым линиям, параллельно поверхности. Ламинарное течение — режим потока с высокой диффузией импульса и конвекцией низкого импульса.
Если жидкость течёт через закрытый канал (трубку) или между двух плоских пластин, может возникнуть ламинарный либо турбулентный поток — это зависит от скорости и вязкости жидкости. Ламинарный поток возникает при более низких скоростях, которые ниже порога, при котором он становится турбулентным. Турбулентный поток представляет собой менее упорядоченный режим потока, с вихрями или небольшими пакетами частиц жидкости, что приводит к боковому перемешиванию. В ненаучных терминах ламинарный поток называют гладким.
Всё же, чтобы лучше понять, что есть такое «ламинарный» поток, лучше один раз увидеть как выглядит этот «пластинчатый» поток. Жидкость движется и не движется — это очень характерное описание ламинарного течения. Поток будто замёрзшая струя, но достаточно подставить под эту струю руку, чтобы увидеть движение воды (любой другой жидкости).
Ламинарный режим движения жидкости
Движение жидкости, наблюдаемое при малых скоростях, при котором отдельные струйки жидкости движутся параллельно друг другу и оси потока, называют ламинарный режим движения жидкости.
В этой статье подробно описывается процесс ламинарного режима, переход в ламинарного режима из турбулентный, формула и закон этого режима и многое другое.
Очень наглядное представление о ламинарном режиме движения жидкости можно получить из опыта Рейнольдса. Подробное описание здесь.
Содержание статьи
Ламинарный режим движения в опытах
Жидкая среда вытекает из бака через прозрачную трубу и через кран уходит на слив. Таким образом жидкость течет с определенным небольшим и постоянным расходом.
На входе в трубу установлена тонкая трубочка по которой в центральную часть потока поступает подкрашенная среда.
При попадании краски в поток жидкости движущейся с небольшой скоростью красная краска будет двигаться ровной струйкой. Из этого опыта можно сделать вывод о слоистом течении жидкости, без перемешивания и вихреообразования.
Такой режим течения жидкости принято назыать ламинарным.
Рассмотрим основные закономерности ламинарного режима при равномерном движении в круглых трубах, ограничиваясь случаями, когда ось трубы горизонтальна.
При этом мы будем рассматривать уже сформировавшийся поток, т.е. поток на участке, начало которого находится от входного сечения трубы на расстоянии, обеспечивающем окончательный устойчивый вид распределения скоростей по сечению потока.
Имея ввиду, что ламинарный режим течения имеет слоистый(струйный) характер и происходит без перемешивания частиц, следует считать, что в ламинарном потоке будут иметь место только скорости, параллельные оси трубы, поперечные же скорости будут отсутствовать.
Можно представить себе, что в этом случае движущаяся жидкость как бы разделяется на бесконечно большое число бесконечно тонких цилиндрических слоев, параллельных оси трубопровода и движущихся один внутри другого с различными скоростями, увеличивающимися в направлении от стенок к оси трубы.
При этом скорость в слое, непосредственно соприкасающемся со стенками из-за эффекта прилипания равна нулю и достигает максимального значения в слое, движущемся по оси трубы.
Формула ламинарного режима течения
Принятая схема движения и введенные выше предположения позволяют теоретическим путем установить закон распределения скоростей в поперечном сечении потока при ламинарном режиме.
Для этого сделаем следующее. Обозначим внутренний радиус трубы через r и выберем начало координат в центре её поперечного сечения O, направив ось х по оси трубы, а ось z по вертикали.
Теперь выделим внутри трубы объем жидкости в виде цилиндра некоторого радиуса y длиной L и применим к нему уравнение Бернулли. Так как в следствии горизонтальности оси трубы z1=z2=0, то
где R – гидравлический радиус сечения выделенного цилиндрического объема = у/2
Подставляя значения R и τ в исходное уравнение получим
Задавая различные значения координаты y, можно вычислить скорости в любой точке сечения. Максимальная скорость, очевидно, будет при y=0, т.е. на оси трубы.
Для того, чтобы изобразить это уравнения графически, необходимо отложить в определенном масштабе от некоторой произвольной прямой АА скорости в виде отрезков, направленных по течению жидкости, и концы отрезков соединить плавной кривой.
Полученная кривая и представит собой кривую распределения скоростей в поперечном сечении потока.
График изменения силы трения τ по сечению выглядит совсем по другому. Таким образом, при ламинарном режиме в цилиндрической трубе скорости в поперечном сечении потока изменяются по параболическому закону, а касательные напряжения – по линейному.
Полученные результаты справедливы для участков труб с вполне развитым ламинарным течением. В действительности, жидкость, которая поступает в трубу, должна пройти от входного сечения определенный участок, прежде чем в трубе установится соответствующий ламинарному режиму параболический закон распределения скоростей.
Развитие ламинарного режима в трубе
Развитие ламинарного режима в трубе можно представить себе следующим образом. Пусть, например, жидкость входит в трубу из резервуара большого размеры, кромки входного отверстия которого хорошо закруглены.
В этом случае скорости во всех точках входного поперечного сечения будут практически одинаковы, за исключением очень тонкого, так называемого пристенного слоя(слоя вблизи стенок), в котором вследствие прилипания жидкости к стенкам происходит почти внезапное падение скорости до нуля. Поэтому кривая скоростей во входном сечении может быть представлена достаточно точно в виде отрезка прямой.
По мере удаления от входа, вследствие трения у стенок, слои жидкости, соседние с пограничным слоем, начинают затормаживаться, толщина этого слоя постепенно увеличивается, а движение в нем, наоборот, замедляется.
Центральная же часть потока (ядро течения), еще не захваченная трением, продолжает двигаться как одно целое, с примерно одинаковой для всех слоев скоростью, причем замедление движения в пристенном слое неизбежно вызывает увеличение скорости в ядре.
Таким образом, в середине трубы, в ядре, скорость течения все время возрастает, а у стенок, в растущем пограничном слое, уменьшается. Это происходит до тех пор, пока пограничный слой не захватит всего сечения потока и ядро не будет сведено к нулю. На этом формирование потока заканчивается, и кривая скоростей принимает обычную для ламинарного режима параболическую форму.
Переход от ламинарного течения к турбулентному
Ламинарное течения жидкости при некоторых условиях способно перейти в турбулентное. При повышении скорости течения потока слоистая структура потока начинает разрушаться, появляются волны и вихри, распространение которых в потоке говорит о нарастающем возмущении.
Постепенно количество вихрей начинает возрастать, и возрастает пока струйка не разобьется на множество перемешивающихся между собой более мелких струек.
Хаотичное движение таких мелких струек позволяет говорить о начале перехода ламинарного режима течения в турбулентное. С увеличением скорости ламинарное течение теряет свою устойчивость, при этом любые случайные небольшие возмущения, которые раньше вызывали только лишь малые колебания, начинают быстро развиваться.
Видео о ламинарном течении
В бытовом случае переход одного режима течения в другой можно отследить на примере струи дыма. Сначала частицы движутся практически параллельно по неизменяемым во времени траекториям. Дым практически неподвижен. Со временем в некоторых местах вдруг возникают крупные вихри, которые двигаются по хаотичным траекториям. Эти вихри распадаются на более маленькие, те – на еще более мелкие и так далее. В конце концов, дым практически смешивается с окружающим воздухом.
Ламинарный поток: если вода из крана течет определенным образом, она кажется остановившейся
При некоторых условиях текущая вода из крана кажется нам совершенно неподвижной. Только при прикосновении становится понятно, что она все же течет. Этот необычный феномен называется ламинарным потоком: в каждой точке пространства внутри воды все свойства жидкости остаются неизменными.
Со стороны человек видит ламинарный поток (или ламинарное течение) как полностью замершую воду. Эта иллюзия создается когда жидкость двигается ровным слоем без пульсаций или перемешивания, обычно так происходит при небольшой скорости движения той же воды.
Примыкающий к трубе слой жидкости как бы прилипает к ней за счет молекулярного сцепления, он действительно остается неподвижным. Но последующие слои воды движутся с большей скоростью, причем она увеличивается в зависимости от расстояния до поверхности трубы. Быстрее всего двигается слой который идет вдоль оси трубы.
Вот как выглядит такой поток на видео:
Ламинарное течение можно увидеть только при определенной скорости, при ее превышении оно переходит в турбулентное течение.
masterok
masterokМастерок.жж.рф
Хочу все знать
Ламина́рное тече́ние (лат. lāmina — «пластинка») — течение, при котором жидкость или газ перемещается слоями без перемешивания и пульсаций (то есть беспорядочных быстрых изменений скорости и давления.
Хотя мне кажется тут есть еще какой то эффект (возможно особенность съемки), который дает картинку как бы замерзшей струи воды. Так ли это?
Ламинарное течение жидкости наблюдается при небольших скоростях ее движения. Внешний слой жидкости, примыкающий к поверхности трубы, в которой она течет, из-за сил молекулярного сцепления прилипает к ней и остается неподвижным. Скорости последующих слоев тем больше, чем больше их расстояние до поверхности трубы, и наибольшей скоростью обладает слой, движущийся вдоль оси трубы.
Ламинарное течение наблюдается у очень вязких жидкостей или при течениях, происходящих с достаточно малыми скоростями, а также при медленном обтекании очень вязкой жидкостью тел малых размеров. С увеличением скорости движения данной жидкости (газа) ламинарное течение переходит в турбулентное течение. Режим течения жидкости характеризуется Рейнольдса числом Re = rvI/m
Posts from This Journal by “Интересно” Tag
Хотя идея некоего дипломатического иммунитета существовала, видимо, с той поры, как у людей только начали появляться какие-то формы объединений,…
Увидел фотографию и начал вспоминать, а как же сложилась судьба детей Брюса Ли? Ну про Брендона Ли хоть что-то мы все слышали, а двое других?…
Ну может быть не совсем взрывались, но активно воспламенялись это точно! В 1931 году покой новозеландской глубинки нарушили странные и пугающие…
Информация об этом журнале
Как лично я это воспринимаю (возможны ошибки в моих рассуждениях).
Рассмотрм потоки воды солидных диаметров, так чтобы поверхностное натяжение не влияло на процессы.
Тот же процесс идет при истечении воды в атмосферу из насадки шланга. При взаимодействии струи воды с воздухом размер самых мельчайших неровностей на поверхности струи воды начнет увеличиваться. И все это будет нарастать до тех пор, пока струя не разобьется на отдельные капли.
То есть. Если мы хотим, чтобы струя воды била очень далеко, нам нужно, чтобы струя в момент выхода из сопла вытекала как можно «идеальнее»: с гладкой поверхностью, без колебаний и завихрений. Понятно, что какие-то «неидеальности» все равно будут, и начнут увеличиваться по мере удаления от сопла. Но это хоть попозже (на большем удалении от сопла) произойдет.
Тогда, на вход в сопло нам желательно подать ламинарный поток воды.
Для круглой трубы:
Число Рейнольдса Re = диаметр_трубы * скорость / кинематическую_вязкость
Для случая трубы с очень гладкими стенками.
Если Re 3000, то течение в трубе постепенно станет турбулентным, даже если было до этого ламинарным.
2000 Edited at 2016-09-26 10:04 am (UTC)