Laminar ist eine Luftströmung, bei der sich die Luftströme in die gleiche Richtung bewegen und parallel zueinander verlaufen. Wenn die Geschwindigkeit auf einen bestimmten Wert ansteigt, nimmt der Luftstrom neben der Translationsgeschwindigkeit auch schnell wechselnde Geschwindigkeiten senkrecht zur Translationsbewegungsrichtung an. Es bildet sich eine Strömung, die als turbulent, also chaotisch bezeichnet wird.
Grenzschicht
Die Grenzschicht ist die Schicht, in der die Luftgeschwindigkeit von Null bis zu einem Wert nahe der lokalen Luftgeschwindigkeit variiert.
Wenn ein Luftstrom einen Körper umströmt (Abb. 5), gleiten Luftpartikel nicht über die Oberfläche des Körpers, sondern werden abgebremst, und die Luftgeschwindigkeit in der Nähe der Körperoberfläche wird gleich Null. Bei der Entfernung von der Körperoberfläche steigt die Luftgeschwindigkeit von Null auf die Geschwindigkeit des Luftstroms an.
Die Dicke der Grenzschicht wird in Millimetern gemessen und hängt von der Viskosität und dem Druck der Luft, vom Profil des Körpers, der Beschaffenheit seiner Oberfläche und der Position des Körpers im Luftstrom ab. Die Dicke der Grenzschicht nimmt von der Vorderkante zur Hinterkante allmählich zu. In der Grenzschicht unterscheidet sich die Art der Bewegung von Luftpartikeln von der Art der Bewegung außerhalb.
Betrachten wir ein Luftteilchen A (Abb. 6), das sich zwischen Luftströmen mit den Geschwindigkeiten U1 und U2 befindet, dreht es sich aufgrund der Differenz dieser Geschwindigkeiten, die an gegenüberliegenden Punkten des Teilchens anliegen, um so mehr, je näher dieses Teilchen dran ist die Oberfläche des Körpers (wo die Differenz die höchste Geschwindigkeit ist). Bei der Entfernung von der Körperoberfläche verlangsamt sich die Rotationsbewegung des Partikels und wird aufgrund der Gleichheit der Luftströmungsgeschwindigkeit und der Luftgeschwindigkeit der Grenzschicht gleich Null.
Hinter dem Körper geht die Grenzschicht in eine Spur über, die verschwimmt und verschwindet, wenn sie sich vom Körper entfernt. Die Turbulenzen im Kielwasser treffen auf das Heck des Flugzeugs und verringern seine Effizienz, was zu Erschütterungen führt (Buffing-Phänomen).
Die Grenzschicht wird in laminare und turbulente unterteilt (Abb. 7). Bei einer stetigen laminaren Strömung der Grenzschicht treten aufgrund der Viskosität der Luft nur innere Reibungskräfte auf, sodass der Luftwiderstand in der laminaren Schicht gering ist.
Reis. 5
Reis. 6 Luftströmung um einen Körper - Strömungsverzögerung in der Grenzschicht
Reis. 7
In einer turbulenten Grenzschicht gibt es eine kontinuierliche Bewegung von Luftströmen in alle Richtungen, was mehr Energie erfordert, um eine zufällige Wirbelbewegung aufrechtzuerhalten, und als Ergebnis wird ein größerer Widerstand der Luftströmung gegen den sich bewegenden Körper erzeugt.
Der Koeffizient Cf wird verwendet, um die Natur der Grenzschicht zu bestimmen. Ein Körper einer bestimmten Konfiguration hat seinen eigenen Koeffizienten. So ist beispielsweise für eine ebene Platte der Luftwiderstandsbeiwert der laminaren Grenzschicht:
für turbulente Schicht
wobei Re die Reynolds-Zahl ist, die das Verhältnis von Trägheitskräften zu Reibungskräften ausdrückt und das Verhältnis zweier Komponenten bestimmt - Profilwiderstand (Formwiderstand) und Reibungswiderstand. Die Reynoldszahl Re wird durch die Formel bestimmt:
wobei V die Luftströmungsgeschwindigkeit ist,
I - Charakter der Körpergröße,
kinetischer Viskositätskoeffizient der Luftreibungskräfte.
Wenn ein Körper an einer bestimmten Stelle von einer Luftströmung umströmt wird, verändert sich die Grenzschicht von laminar zu turbulent. Dieser Punkt wird Übergangspunkt genannt. Seine Lage auf der Oberfläche des Körperprofils hängt von der Viskosität und dem Druck der Luft, der Geschwindigkeit der Luftströme, der Form des Körpers und seiner Position im Luftstrom sowie von der Oberflächenrauhigkeit ab. Beim Erstellen von Flügelprofilen neigen Designer dazu, diesen Punkt so weit wie möglich von der Vorderkante des Profils entfernt zu platzieren, wodurch der Reibungswiderstand verringert wird. Zu diesem Zweck werden spezielle laminierte Profile verwendet, um die Glätte der Flügeloberfläche zu erhöhen, und eine Reihe anderer Maßnahmen.
Mit einer Erhöhung der Geschwindigkeit des Luftstroms oder einer Erhöhung des Winkels des Körpers relativ zum Luftstrom auf einen bestimmten Wert wird die Grenzschicht irgendwann von der Oberfläche getrennt, während der Druck hinter diesem Punkt stark abnimmt .
Dadurch, dass der Druck an der Körperhinterkante größer ist als hinter der Ablösestelle, kommt es zu einem Luftrückstrom aus der Zone höheren Drucks in die Zone niedrigeren Drucks zur Ablösestelle, was zur Folge hat Ablösung des Luftstroms von der Körperoberfläche (Abb. 8).
Eine laminare Grenzschicht löst sich leichter von der Körperoberfläche ab als eine turbulente.
Kontinuitätsgleichung für einen Luftstromstrahl
Die Gleichung der Kontinuität des Luftstroms (die Konstanz des Luftstroms) ist eine Gleichung der Aerodynamik, die sich aus den Grundgesetzen der Physik - der Erhaltung von Masse und Trägheit - ergibt und den Zusammenhang zwischen Dichte, Geschwindigkeit und herstellt Querschnittsfläche des Luftstrahls.
Reis. acht
Reis. neun
Bei der Betrachtung wird die Bedingung akzeptiert, dass die untersuchte Luft nicht die Eigenschaft der Kompressibilität aufweist (Abb. 9).
Bei einem Strahl mit variablem Querschnitt strömt für eine bestimmte Zeit ein zweites Luftvolumen durch den Abschnitt I, dieses Volumen ist gleich dem Produkt aus Luftströmungsgeschwindigkeit und Querschnitt F.
Der zweite Luftmassenstrom m ist gleich dem Produkt aus dem zweiten Luftstrom und der Luftstromdichte p des Strahls. Gemäß dem Energieerhaltungssatz ist die Masse des Luftstroms des Stroms m1, der durch Abschnitt I (F1) fließt, gleich der Masse m2 dieses Stroms, der durch Abschnitt II (F2) fließt, vorausgesetzt, dass der Luftstrom konstant ist :
m1=m2=const, (1.7)
m1F1V1=m2F2V2=konst. (1.8)
Dieser Ausdruck wird als Kontinuitätsgleichung des Strahls des Luftstroms des Stroms bezeichnet.
F1V1=F2V2= konst. (1.9)
Aus der Formel ist also ersichtlich, dass das gleiche Luftvolumen in einer bestimmten Zeiteinheit (Sekunde) durch verschiedene Abschnitte des Stroms strömt, jedoch mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten.
Wir schreiben Gleichung (1.9) in der folgenden Form:
Aus der Formel ist ersichtlich, dass die Luftströmungsgeschwindigkeit des Strahls umgekehrt proportional zur Querschnittsfläche des Strahls ist und umgekehrt.
Somit stellt die Kontinuitätsgleichung des Strahls des Luftstroms die Beziehung zwischen dem Querschnitt des Strahls und der Geschwindigkeit her, vorausgesetzt, dass der Luftstrom des Strahls stetig ist.
Bernoulli-Gleichung für statischen Druck und Geschwindigkeitskopf
Aerodynamik von Flugzeugen
Das Luftfahrzeug, das sich relativ dazu in einer ruhenden oder bewegten Luftströmung befindet, erfährt von dieser Druck, im ersten Fall (bei ruhender Luftströmung) ist es statischer Druck und im zweiten Fall (bei bewegter Luftströmung). ) ist es dynamischer Druck, er wird oft als Geschwindigkeitsdruck bezeichnet. Der statische Druck in einem Strom ist ähnlich dem Druck einer ruhenden Flüssigkeit (Wasser, Gas). Zum Beispiel: Wasser in einem Rohr, es kann ruhen oder sich bewegen, in beiden Fällen stehen die Wände des Rohres unter Druck des Wassers. Bei Wasserbewegung wird der Druck etwas geringer sein, da ein Geschwindigkeitsdruck entstanden ist.
Nach dem Energieerhaltungssatz ist die Energie eines Luftstroms in verschiedenen Abschnitten eines Luftstroms die Summe aus der kinetischen Energie des Stroms, der potentiellen Energie der Druckkräfte, der inneren Energie des Stroms und der Energie der Körperhaltung. Dieser Betrag ist ein konstanter Wert:
Ekin+Ep+Evn+En=const (1.10)
Kinetische Energie (Ekin) - die Fähigkeit eines sich bewegenden Luftstroms, Arbeit zu verrichten. Sie ist gleich
wobei m die Luftmasse ist, kgf s2m; V-Geschwindigkeit des Luftstroms, m/s. Wenn wir anstelle der Masse m die Massendichte der Luft p ersetzen, erhalten wir die Formel zur Bestimmung der Geschwindigkeitshöhe q (in kgf / m2)
Potenzielle Energie Ep - die Fähigkeit des Luftstroms, unter dem Einfluss statischer Druckkräfte Arbeit zu verrichten. Es ist gleich (in kgf-m)
wo Р - Luftdruck, kgf/m2; F ist die Querschnittsfläche des Luftstromfilaments, m2; S ist der Weg, den 1 kg Luft durch einen bestimmten Abschnitt zurücklegt, m; das Produkt SF heißt spezifisches Volumen und wird mit v bezeichnet, durch Einsetzen des Wertes des spezifischen Luftvolumens in Formel (1.13) erhält man
Die innere Energie Evn ist die Fähigkeit eines Gases, Arbeit zu verrichten, wenn sich seine Temperatur ändert:
wobei Cv die Wärmekapazität von Luft bei konstantem Volumen ist, cal / kg-Grad; T-Temperatur auf der Kelvin-Skala, K; A ist das thermische Äquivalent der mechanischen Arbeit (cal-kg-m).
Aus der Gleichung ist ersichtlich, dass die innere Energie des Luftstroms direkt proportional zu seiner Temperatur ist.
Positionsenergie En ist die Fähigkeit der Luft, Arbeit zu verrichten, wenn sich die Position des Schwerpunkts einer gegebenen Luftmasse ändert, wenn sie auf eine bestimmte Höhe steigt und gleich ist
wobei h die Höhenänderung ist, m.
Angesichts der spärlich kleinen Werte der Trennung der Schwerpunkte von Luftmassen entlang der Höhe in einem Rinnsal des Luftstroms wird diese Energie in der Aerodynamik vernachlässigt.
Betrachtet man alle Energiearten in Bezug auf bestimmte Bedingungen, so lässt sich das Gesetz von Bernoulli formulieren, das einen Zusammenhang zwischen dem statischen Druck in einem Rinnsal des Luftstroms und dem Geschwindigkeitsdruck herstellt.
Stellen Sie sich ein Rohr (Abb. 10) mit variablem Durchmesser (1, 2, 3) vor, in dem sich ein Luftstrom bewegt. Mit Manometern wird der Druck in den betrachteten Abschnitten gemessen. Aus der Analyse der Messwerte von Manometern können wir schließen, dass der niedrigste dynamische Druck von einem Manometer aus Abschnitt 3-3 angezeigt wird. Das heißt, wenn sich das Rohr verengt, erhöht sich die Geschwindigkeit des Luftstroms und der Druck sinkt.
Reis. zehn
Der Grund für den Druckabfall liegt darin, dass der Luftstrom keine Arbeit verrichtet (keine Reibung) und somit die Gesamtenergie des Luftstroms konstant bleibt. Wenn wir Temperatur, Dichte und Volumen des Luftstroms in verschiedenen Abschnitten als konstant betrachten (T1=T2=T3; ð1=ð2=ð3, V1=V2=V3), dann kann die innere Energie vernachlässigt werden.
Das bedeutet, dass in diesem Fall die Umwandlung der kinetischen Energie des Luftstroms in potentielle Energie und umgekehrt möglich ist.
Wenn die Geschwindigkeit des Luftstroms zunimmt, steigt die Geschwindigkeitshöhe und dementsprechend die kinetische Energie dieses Luftstroms.
Wir setzen die Werte aus den Formeln (1.11), (1.12), (1.13), (1.14), (1.15) in die Formel (1.10) ein, wobei wir berücksichtigen, dass wir die innere Energie und die Positionsenergie vernachlässigen, indem wir die Gleichung (1.10 ), wir erhalten
Diese Gleichung für einen beliebigen Abschnitt eines Luftstroms wird wie folgt geschrieben:
Diese Art von Gleichung ist die einfachste mathematische Bernoulli-Gleichung und zeigt, dass die Summe des statischen und dynamischen Drucks für jeden Abschnitt eines stetigen Luftstroms ein konstanter Wert ist. Die Kompressibilität wird dabei nicht berücksichtigt. Bei Berücksichtigung der Kompressibilität werden entsprechende Korrekturen vorgenommen.
Zur Verdeutlichung des Bernoulli-Gesetzes können Sie ein Experiment durchführen. Nehmen Sie zwei Blätter Papier, halten Sie sie in geringem Abstand parallel zueinander und blasen Sie in die Lücke zwischen ihnen.
Reis. elf
Die Blätter kommen näher. Der Grund für ihre Konvergenz besteht darin, dass auf der Außenseite der Blätter der Druck atmosphärisch ist und in dem Spalt zwischen ihnen aufgrund des Vorhandenseins eines Hochgeschwindigkeitsluftdrucks der Druck abgenommen hat und niedriger als atmosphärisch wurde. Unter dem Einfluss des Druckunterschieds biegen sich die Papierbögen nach innen.
Windkanäle
Eine Versuchsanordnung zur Untersuchung der Phänomene und Prozesse, die mit der Umströmung von Körpern durch Gas einhergehen, wird als Windkanal bezeichnet. Принцип действия аэродинамических труб основан на принципе относительности Галилея: вместо движения тела в неподвижной среде изучается обтекание неподвижного тела потоком газа В аэродинамических трубах экспериментально определяются действующие на ЛА аэродинамические силы и моменты исследуются распределения давления и температуры по его поверхности, наблюдается картина обтекания тела, изучается аэроупругость usw.
Windkanäle werden je nach Bereich der Machzahlen M in Unterschall (M = 0,15–0,7), Transschall (M = 0,7–13), Überschall (M = 1,3–5) und Hyperschall (M = 5–25) unterteilt nach dem Funktionsprinzip - in Kompressorräume (Dauerbetrieb), in denen der Luftstrom durch einen speziellen Kompressor erzeugt wird, und Ballonräume mit erhöhtem Druck, je nach Anordnung des Kreislaufs - in geschlossene und offene.
Kompressorrohre haben einen hohen Wirkungsgrad, sie sind einfach zu bedienen, erfordern jedoch die Schaffung einzigartiger Kompressoren mit hohen Gasdurchflussraten und hoher Leistung. Ballonwindkanäle sind weniger wirtschaftlich als Kompressorwindkanäle, da beim Drosseln des Gases ein Teil der Energie verloren geht. Außerdem ist die Betriebsdauer von Ballonwindkanälen durch den Gasvorrat in den Zylindern begrenzt und reicht bei verschiedenen Windkanälen von einigen zehn Sekunden bis zu mehreren Minuten.
Die weite Verbreitung von Ballonwindkanälen ist darauf zurückzuführen, dass sie einfacher aufgebaut sind und die zum Befüllen der Ballone benötigte Kompressorleistung relativ gering ist. In Windkanälen mit geschlossenem Kreislauf wird ein erheblicher Teil der im Gasstrom nach seinem Durchgang durch den Arbeitsbereich verbleibenden kinetischen Energie genutzt, was die Effizienz des Windkanals erhöht. In diesem Fall müssen jedoch die Gesamtabmessungen der Anlage vergrößert werden.
In Unterschallwindkanälen werden die aerodynamischen Eigenschaften von Unterschallhubschraubern sowie die Eigenschaften von Überschallflugzeugen im Start- und Landemodus untersucht. Darüber hinaus werden sie verwendet, um die Strömung um Autos und andere Bodenfahrzeuge, Gebäude, Denkmäler, Brücken und andere Objekte herum zu untersuchen.Die Abbildung zeigt ein Diagramm eines geschlossenen Unterschallwindkanals.
Reis. 12
1 - Wabe 2 - Gitter 3 - Vorkammer 4 - Konfusor 5 - Strömungsrichtung 6 - Arbeitsteil mit Modell 7 - Diffusor, 8 - Knie mit Drehflügeln, 9 - Kompressor 10 - Luftkühler
Reis. dreizehn
1 - Wabe 2 - Gitter 3 - Vorkammer 4 Konfusor 5 perforierter Arbeitsteil mit Modell 6 Ejektor 7 Diffusor 8 Krümmer mit Leitschaufeln 9 Luftauslass 10 - Luftzufuhr aus Zylindern
Reis. vierzehn
1 - Druckluftzylinder 2 - Rohrleitung 3 - Steuerdrossel 4 - Planiergitter 5 - Wabe 6 - Deturbulenzgitter 7 - Vorkammer 8 - Konfusor 9 - Überschalldüse 10 - Arbeitsteil mit Modell 11 - Überschalldiffusor 12 - Unterschalldiffusor 13 - Freigabe in die Atmosphäre
Reis. fünfzehn
1 - Zylinder mit Hochdruck 2 - Rohrleitung 3 - Steuerdrossel 4 - Erhitzer 5 - Vorkammer mit Waben und Gittern 6 - axialsymmetrische Hyperschalldüse 7 - Arbeitsteil mit Modell 8 - axialsymmetrischer Hyperschalldiffusor 9 - Luftkühler 10 - Strömungsrichtung 11 - Luft Zufuhr in Ejektoren 12 - Ejektoren 13 - Verschlüsse 14 - Vakuumbehälter 15 - Unterschalldiffusor
Abhängig von der Belüftungsmethode des Raums ist es üblich, Folgendes zu nennen:
a) turbulent belüftete oder Räume mitnicht unidirektionaler Luftstrom;
b) Räume mit laminarer oder unidirektionaler Luftströmung.
Notiz. Das Fachvokabular wird von Begriffen dominiert
"turbulent Luftstrom, laminarer Luftstrom.
Fahrmodi ich lüfte
Es gibt zwei Fahrmodi Luft : laminar ? und turbulent?. Laminar? Der Modus ist durch die geordnete Bewegung von Luftpartikeln entlang paralleler Bahnen gekennzeichnet. Die Vermischung in der Strömung erfolgt als Ergebnis der gegenseitigen Durchdringung von Molekülen. Im turbulenten Regime ist die Bewegung der Luftteilchen chaotisch, die Vermischung beruht auf der gegenseitigen Durchdringung einzelner Luftvolumina und erfolgt daher viel intensiver als im laminaren Regime.
Bei stationärer laminarer Bewegung ist die Luftströmungsgeschwindigkeit an einem Punkt in Größe und Richtung konstant; während einer turbulenten Bewegung sind ihre Größe und Richtung zeitlich variabel.
Turbulenz ist eine Folge äußerer (in die Strömung eingebrachter) oder innerer (in der Strömung erzeugter) Störungen.?. Turbulenz Lüftungsströme in der Regel internen Ursprungs. Ursache ist eine Wirbelbildung beim Umströmen einer Unregelmäßigkeit?Wände und Objekte.
Das Gründungskriterium? turbulentes Regime ist die Rhea-Zahl?nolds:
R e = ud / h
wo und ist die durchschnittliche Luftgeschwindigkeit in drinnen;
D - hydraulisch? Raumdurchmesser;
D= 4S/P
S - Querschnittsfläche Firmengelände;
R - Umfang der Quer Teil des Zimmers;
v- kinematisch?Luftviskositätskoeffizient.
Rhea-Nummer? Nolds, darüber die turbulente Bewegung der Widerlager?chivo, heißt kritisch. Für Firmengelände es ist gleich 1000-1500, für glatte Rohre - 2300. In Firmengelände Luftbewegung ist normalerweise turbulent; beim Filtern(in Reinräumen)als laminar möglich?, und turbulent? Modus.
Laminargeräte werden in Reinräumen eingesetzt und dienen zur Verteilung großer Luftmengen, wobei speziell gestaltete Decken, Bodenhauben und Druckregelung im Raum vorgesehen sind. Unter diesen Bedingungen ist der Betrieb von Laminar-Flow-Verteilern garantiert, um die erforderliche unidirektionale Strömung mit parallelen Strompfaden bereitzustellen. Die hohe Luftwechselrate trägt dazu bei, nahezu isotherme Bedingungen im Zuluftstrom aufrechtzuerhalten. Decken, die für die Luftverteilung mit großem Luftaustausch ausgelegt sind, bieten aufgrund der großen Fläche eine kleine anfängliche Luftströmungsgeschwindigkeit. Der Betrieb von bodengleichen Abzügen und Raumdruckregelung minimiert die Größe der Umluftzonen und das Prinzip „ein Durchgang und ein Ausgang“ funktioniert problemlos. Schwebstoffe werden auf den Boden gedrückt und entfernt, sodass die Gefahr ihrer Rückführung gering ist.
Fotografie von laminarer Strömung
laminare Strömung- das ruhige Fließen einer Flüssigkeit oder eines Gases ohne Vermischung. Die Flüssigkeit oder das Gas bewegt sich in Schichten, die gegeneinander gleiten. Wenn die Geschwindigkeit der Schichten zunimmt oder wenn die Viskosität des Fluids abnimmt, wird die laminare Strömung turbulent. Für jede Flüssigkeit oder jedes Gas tritt dieser Punkt bei einer bestimmten Reynolds-Zahl auf.
Beschreibung
Laminare Strömungen werden entweder in sehr viskosen Flüssigkeiten oder in Strömungen beobachtet, die bei ausreichend niedrigen Geschwindigkeiten auftreten, sowie in langsamen Flüssigkeitsströmungen um kleine Körper. Laminare Strömungen finden insbesondere in engen (Kapillar-)Rohren statt, in einer Schmierschicht in Lagern, in einer dünnen Grenzschicht, die sich nahe der Oberfläche von Körpern bildet, wenn diese von Flüssigkeiten oder Gasen umströmt werden, etc. Mit zunehmender Geschwindigkeit dieser Flüssigkeit kann eine laminare Strömung irgendwann in eine ungeordnete turbulente Strömung übergehen. In diesem Fall ändert sich die Widerstandskraft gegen die Bewegung stark. Das Fluidströmungsregime wird durch die sogenannte Reynolds-Zahl charakterisiert (Betreff).
Wenn der Wert Betreff kleiner als eine bestimmte kritische Zahl Re kp , treten laminare Fluidströmungen auf; wenn Re > Re kp , kann das Strömungsregime turbulent werden . Der Re cr -Wert hängt von der Art der betrachteten Strömung ab. Für eine Strömung in runden Rohren ist also Re cr ≈ 2200 (wenn die charakteristische Geschwindigkeit die mittlere Geschwindigkeit über den Querschnitt und die charakteristische Größe der Rohrdurchmesser ist). Daher gilt für Re kp< 2200 течение жидкости в трубе будет ламинарным.
Geschwindigkeitsverteilung
Geschwindigkeitsmittelungsprofil:
a - laminare Strömung
b - turbulente Strömung
Bei laminarer Strömung in einem unendlich langen Rohr ändert sich die Geschwindigkeit in jedem Rohrabschnitt nach dem Gesetz V-V 0 ( 1 - r 2 /a 2 ), wo a - Rohrradius, r - Abstand von der Achse, V 0 \u003d 2 V sr - axiale (numerisch maximale) Strömungsgeschwindigkeit; das entsprechende parabolische Geschwindigkeitsprofil ist in Abb. 1 dargestellt. a.
Die Reibungsspannung ändert sich entlang des Radius gemäß einem linearen Gesetz τ=τ mit r/a wo τw = 4μVav/a - Reibungsbeanspruchung an der Rohrwand.
Um die Kräfte der viskosen Reibung im Rohr bei gleichförmiger Bewegung zu überwinden, muss ein Längsdruckabfall auftreten, der normalerweise durch die Gleichheit ausgedrückt wird P1-P2 = λ(l/d)ρV cf 2 /2 wo P1 und P2 - Druck in k.-n. zwei Querschnitte im Abstand l voneinander, λ - Koeffizient Widerstand je nach Betreff für laminare Strömung λ = 64/Re .
Die Hydrodynamik ist der wichtigste Zweig der Physik, der die Gesetze der Flüssigkeitsbewegung in Abhängigkeit von äußeren Bedingungen untersucht. Ein wichtiges Thema, das in der Hydrodynamik betrachtet wird, ist die Frage nach der Bestimmung der laminaren und turbulenten Strömung eines Fluids.
Was ist eine Flüssigkeit?
Um das Problem der laminaren und turbulenten Flüssigkeitsströmung besser zu verstehen, ist es notwendig, zuerst zu betrachten, was diese Substanz ist.
Flüssigkeit wird in der Physik als einer der 3 Aggregatzustände der Materie bezeichnet, der unter gegebenen Bedingungen sein Volumen beibehalten kann, aber unter dem Einfluss minimaler Tangentialkräfte seine Form ändert und zu fließen beginnt. Im Gegensatz zu einem Festkörper gibt es in einer Flüssigkeit keine Widerstandskräfte gegen äußere Einflüsse, die dazu neigen würden, in ihre ursprüngliche Form zurückzukehren. Flüssigkeit unterscheidet sich von Gasen dadurch, dass sie in der Lage ist, ihr Volumen bei einem konstanten äußeren Druck und einer konstanten Temperatur beizubehalten.
Parameter, die die Eigenschaften von Flüssigkeiten beschreiben
Die Frage nach laminarer und turbulenter Strömung wird einerseits von den Eigenschaften des Systems bestimmt, in dem die Fluidbewegung betrachtet wird, und andererseits von den Eigenschaften des fluiden Stoffes. Hier sind die wichtigsten Eigenschaften von Flüssigkeiten:
- Dichte. Jede Flüssigkeit ist homogen, daher wird zu ihrer Charakterisierung diese physikalische Größe verwendet, die die Masse einer flüssigen Substanz widerspiegelt, die auf ihre Volumeneinheit fällt.
- Viskosität. Dieser Wert charakterisiert die Reibung, die zwischen verschiedenen Schichten des Fluids während seines Flusses auftritt. Da die potentielle Energie von Molekülen in Flüssigkeiten ungefähr gleich ihrer kinetischen Energie ist, verursacht sie das Vorhandensein einer gewissen Viskosität in allen realen flüssigen Substanzen. Diese Eigenschaft von Flüssigkeiten ist der Grund für den Energieverlust beim Fließen.
- Komprimierbarkeit. Bei einer Erhöhung des Außendrucks verringert jede flüssige Substanz ihr Volumen. Bei Flüssigkeiten muss dieser Druck jedoch groß genug sein, um das von ihnen eingenommene Volumen geringfügig zu verringern. Daher wird dieser Aggregatzustand für die meisten praktischen Fälle als inkompressibel angesehen.
- Oberflächenspannung. Dieser Wert wird durch die Arbeit bestimmt, die aufgewendet werden muss, um eine Einheitsoberfläche der Flüssigkeit zu bilden. Die Existenz von Oberflächenspannung ist auf das Vorhandensein von Kräften der intermolekularen Wechselwirkung in Flüssigkeiten zurückzuführen und bestimmt ihre Kapillareigenschaften.
laminare Strömung
Beim Studium der Frage der turbulenten und laminaren Strömung betrachten wir zunächst die letztere. Wenn bei einer Flüssigkeit, die sich in einem Rohr befindet, an den Enden dieses Rohrs ein Druckunterschied entsteht, beginnt sie zu fließen. Wenn die Strömung eines Stoffes ruhig ist und sich jede seiner Schichten auf einer glatten Bahn bewegt, die die Bewegungslinien anderer Schichten nicht schneidet, spricht man von einem laminaren Strömungsregime. Dabei bewegt sich jedes Flüssigkeitsmolekül auf einer bestimmten Flugbahn entlang des Rohrs.
Die Merkmale der laminaren Strömung sind wie folgt:
- Zwischen den einzelnen Schichten des flüssigen Stoffes findet keine Vermischung statt.
- Die Schichten, die näher an der Achse des Rohrs liegen, bewegen sich mit einer höheren Geschwindigkeit als diejenigen, die sich an seinem Umfang befinden. Diese Tatsache hängt mit dem Vorhandensein von Reibungskräften zwischen den Flüssigkeitsmolekülen und der Innenfläche des Rohrs zusammen.
Ein Beispiel für laminare Strömung sind die parallelen Wasserstrahlen, die aus einer Dusche fließen. Fügt man einer laminaren Strömung einige Tropfen eines Farbstoffs hinzu, so sieht man, wie sie in einen Strahl gezogen werden, der seinen glatten Fluss fortsetzt, ohne sich mit der Masse der Flüssigkeit zu vermischen.
turbulente Strömung
Dieser Modus unterscheidet sich grundlegend von Laminar. Eine turbulente Strömung ist eine chaotische Strömung, in der sich jedes Molekül auf einer willkürlichen Bahn bewegt, die nur zum Anfangszeitpunkt vorhergesagt werden kann. Dieser Modus ist durch Wirbel und Kreisbewegungen kleiner Volumina im Flüssigkeitsstrom gekennzeichnet. Trotz der Zufälligkeit der Bahnen einzelner Moleküle bewegt sich die Gesamtströmung jedoch in eine bestimmte Richtung, und diese Geschwindigkeit kann durch einen Durchschnittswert charakterisiert werden.
Ein Beispiel für eine turbulente Strömung ist die Wasserströmung in einem Gebirgsfluss. Wenn ein Farbstoff in eine solche Strömung getropft wird, kann man sehen, dass im ersten Moment ein Strahl erscheint, der Verzerrungen und kleine Wirbel erfährt und dann verschwindet, nachdem er sich mit dem gesamten Volumen der Flüssigkeit vermischt hat.
Was bestimmt die Strömung einer Flüssigkeit?
Laminare oder turbulente Strömungsregime hängen vom Verhältnis zweier Größen ab: der Viskosität des flüssigen Stoffes, die die Reibung zwischen Flüssigkeitsschichten bestimmt, und den Trägheitskräften, die die Strömungsgeschwindigkeit beschreiben. Je viskoser die Substanz und je niedriger ihre Fließgeschwindigkeit, desto höher ist die Wahrscheinlichkeit einer laminaren Strömung. Umgekehrt ist die Strömung turbulent, wenn die Viskosität der Flüssigkeit niedrig und die Geschwindigkeit ihrer Bewegung hoch ist.
Unten ist ein Video, das die Merkmale der betrachteten Regime des Stoffflusses klar erklärt.
Wie bestimmt man das Strömungsregime?
Für die Praxis ist diese Frage sehr wichtig, da die Antwort darauf mit den Merkmalen der Bewegung von Objekten in einem flüssigen Medium und der Größe der Energieverluste zusammenhängt.
Der Übergang zwischen laminarer und turbulenter Fluidströmung lässt sich anhand der sogenannten Reynolds-Zahlen abschätzen. Sie sind eine dimensionslose Größe und nach dem irischen Ingenieur und Physiker Osborne Reynolds benannt, der Ende des 19. Jahrhunderts vorschlug, mit ihnen die Bewegungsweise eines flüssigen Stoffes praktisch zu bestimmen.
Sie können die Reynolds-Zahl (laminare und turbulente Strömung einer Flüssigkeit in einem Rohr) mit der folgenden Formel berechnen: Re = ρ*D*v/μ, wobei ρ und μ die Dichte bzw. Viskosität des Stoffes sind, v ist die durchschnittliche Geschwindigkeit seiner Strömung, D ist der Durchmesser der Rohre. In der Formel gibt der Zähler die Trägheitskräfte oder Strömung wieder und der Nenner bestimmt die Reibungskräfte oder Viskosität. Daraus können wir schließen, dass wenn die Reynolds-Zahl für das betrachtete System groß ist, das Fluid in einem turbulenten Regime strömt und umgekehrt, kleine Reynolds-Zahlen auf das Vorhandensein einer laminaren Strömung hindeuten.
Spezifische Bedeutungen von Reynolds-Zahlen und ihre Verwendung
Wie oben erwähnt, kann die Reynolds-Zahl zur Bestimmung von laminarer und turbulenter Strömung verwendet werden. Das Problem ist, dass es von den Eigenschaften des Systems abhängt. Wenn beispielsweise das Rohr Unregelmäßigkeiten an seiner Innenfläche aufweist, beginnt der turbulente Wasserfluss darin bei niedrigeren Durchflussraten als in einem glatten.
Die Statistik vieler Experimente hat gezeigt, dass unabhängig vom System und der Art der Flüssigkeit, wenn die Reynolds-Zahl kleiner als 2000 ist, eine laminare Bewegung auftritt, aber wenn sie größer als 4000 ist, dann wird die Strömung turbulent. Zwischenwerte von Zahlen (von 2000 bis 4000) weisen auf das Vorhandensein eines Übergangsregimes hin.
Diese Reynolds-Zahlen werden verwendet, um die Bewegung verschiedener technischer Objekte und Apparate in flüssigen Medien zu bestimmen, um den Fluss von Wasser durch Rohre verschiedener Formen zu untersuchen, und spielen auch eine wichtige Rolle bei der Untersuchung einiger biologischer Prozesse, beispielsweise der Bewegung von Mikroorganismen in menschlichen Blutgefäßen.
) bewegt sich wie in Schichten parallel zur Strömungsrichtung. L. t. wird entweder in sehr viskosen Flüssigkeiten oder bei Strömungen beobachtet, die mit ausreichend niedrigen Geschwindigkeiten auftreten, sowie im Fall einer langsamen Umströmung von Körpern mit kleinen Abmessungen. Insbesondere finden L. t. in engen (Kapillar-)Rohren statt, in einer Schmiermittelschicht in Lagern, in einer dünnen Grenzschicht, die sich nahe der Oberfläche von Körpern bildet, wenn diese von Flüssigkeiten oder Gasen umströmt werden usw die Bewegungsgeschwindigkeit einer gegebenen Flüssigkeit, L. t. geht irgendwann in . Gleichzeitig ändern sich alle seine Eigenschaften erheblich, insbesondere die Strömungsstruktur, das Geschwindigkeitsprofil und das Widerstandsgesetz. Das Fluidströmungsregime wird durch die Reynolds-Zahl Re charakterisiert. Wenn der Re-Wert unter dem kritischen Wert liegt Zahlen Rekr, L. t. Flüssigkeit findet statt; wenn Re > Recr, wird die Strömung turbulent. Der Recr-Wert hängt von der Art des betrachteten Flusses ab. Für eine Strömung in runden Rohren also ReKp »2300 (wenn die charakteristische Geschwindigkeit als Mittelwert über den Querschnitt betrachtet wird und die charakteristische Größe der Rohrdurchmesser ist). Bei Recr
Physikalisches Enzyklopädisches Wörterbuch. - M.: Sowjetische Enzyklopädie. Chefredakteur A. M. Prochorow. 1983 .
LAMINARE STRÖMUNG
(von lat. Lamina - Platte) - ein geordnetes Strömungsregime einer viskosen Flüssigkeit (oder eines Gases), gekennzeichnet durch das Fehlen einer Vermischung zwischen benachbarten Flüssigkeitsschichten. Die Bedingungen, unter denen ein stabiles, d. h. nicht durch zufällige Störungen beeinträchtigtes, lineares t. Reynoldszahlen Re. Für jede Art von Strömung gibt es eine solche Nummer R e Kr, naz. niedriger kritisch Reynolds-Zahl, die für jede Betreff
Eine Idee über die Eigenschaften von linearem t. Rohr. Für diesen Strom R e Kr 2200, wo Re= ( -
die durchschnittliche Strömungsgeschwindigkeit der Flüssigkeit, d- Rohrdurchmesser,
- kinematisch Koeffizient Viskosität, - dynamisch. Koeffizient Viskosität, ist die Dichte der Flüssigkeit). Somit kann ein praktisch stabiles L. t. entweder bei einem relativ langsamen Fluss einer ausreichend viskosen Flüssigkeit oder in sehr dünnen (Kapillar-)Röhrchen stattfinden. Beispielsweise ist für Wasser (\u003d 10 -6 m 2 / s bei 20 ° C) eine stabile L. t. s \u003d 1 m / s nur in Rohren mit einem Durchmesser von nicht mehr als 2,2 mm möglich.
Bei linearer T. in einem unendlich langen Rohr ändert sich die Geschwindigkeit in jedem Abschnitt des Rohres nach dem Gesetz - (1 - - r 2 /a 2), wo a - Rohrradius, r- Achsabstand, - axiale (numerisch maximale) Strömungsgeschwindigkeit; entsprechende Parabel. das Geschwindigkeitsprofil ist in Abb. 1 dargestellt. a. Die Reibungsspannung ändert sich entlang des Radius gemäß dem linearen Gesetz, wobei = die Reibungsspannung an der Rohrwand ist. Um die Kräfte der viskosen Reibung im Rohr bei gleichförmiger Bewegung zu überwinden, muss ein Längsdruckabfall auftreten, der normalerweise durch die Gleichheit ausgedrückt wird P1-P 2 
wo p1 und S. 2 - Druck in k.-n. zwei Querschnitte im Abstand l voneinander, - Koeffizient. Widerstand, abhängig von für L. t. . Die zweite Flüssigkeit im Rohr bei L. t. bestimmt Poiseuillesches Gesetz. Bei Rohren endlicher Länge wird das beschriebene lineare T. nicht sofort hergestellt, und am Anfang des Rohrs befindet sich ein sogenannter. den Einlaufabschnitt, auf dem sich das Geschwindigkeitsprofil allmählich in ein parabelförmiges umwandelt. Ungefähre Einlasslänge
Geschwindigkeitsverteilung über die Rohrstrecke: a- mit laminarer Strömung; b- in turbulenter Strömung.
Wenn die Strömung turbulent wird, ändern sich die Strömungsstruktur und das Geschwindigkeitsprofil deutlich (Abb. 6
) und das Gesetz des Widerstands, also der Abhängigkeit von Betreff(cm. hydrodynamischer Widerstand).
Neben Rohren findet L. t. in der Schmierschicht in Lagern statt, nahe der Oberfläche von Körpern, die mit einer niedrigviskosen Flüssigkeit stromlinienförmig sind (vgl Grenzschicht) wenn eine sehr viskose Flüssigkeit langsam um kleine Körper fließt (siehe insbesondere Stokes-Formel). Die Theorie des linearen t. Chemie.
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Sehen Sie, was "LAMINAR FLOW" in anderen Wörterbüchern ist:
Moderne Enzyklopädie
laminare Strömung- (von lat. Lamina Platte, Band), eine geordnete Strömung einer Flüssigkeit oder eines Gases, bei der sich die Flüssigkeit (Gas) sozusagen in Schichten parallel zur Strömungsrichtung bewegt. Laminare Strömung wird beobachtet entweder bei Strömungen mit ... ... Illustriertes enzyklopädisches Wörterbuch
- (von lat. Blechstreifen), eine Strömung, in der sich eine Flüssigkeit (oder ein Gas) in Schichten bewegt, ohne sich zu vermischen. Die Existenz einer laminaren Strömung ist nur bis zu einem bestimmten, sog. kritisch, Reynoldszahl Recr. Mit re,… … Großes enzyklopädisches Wörterbuch
- (von lat. lamina plate, strip * a. laminar flow; n. Laminarstromung, laminare Stromung; f. ecoulement laminaire, courant laminaire; i. corriente laminar, torrente laminar) eine geordnete Strömung einer Flüssigkeit oder eines Gases, mit einer Flüssigkeit . .. ... Geologische Enzyklopädie
- (von lat. Lamina Platte, Streifen) ein viskoser Flüssigkeitsstrom, in dem sich die Teilchen des Mediums geordnet durch die Schichten bewegen und die Übertragung von Masse, Impuls und Energie zwischen den Schichten auf molekularer Ebene ablaufen. Ein typisches Beispiel für L. t. ... ... Enzyklopädie der Technik
LAMINARFLUSS, der stetige Fluss einer Flüssigkeit oder eines Gases ohne Bewegung. Die Flüssigkeit oder das Gas bewegt sich in Schichten, die gegeneinander gleiten. Wenn die Geschwindigkeit der Schichten zunimmt oder die Viskosität abnimmt... ... Wissenschaftliches und technisches Lexikon - die Bewegung einer viskosen Flüssigkeit (oder eines Gases), bei der sich die Flüssigkeit (oder das Gas) in getrennten parallelen Schichten ohne Turbulenz und Vermischung miteinander bewegt (im Gegensatz zu turbulent (siehe)). Dadurch haben diese Schichten (z. B. in einem Rohr) ... ... Große polytechnische Enzyklopädie
laminare Strömung- Ruhige, geordnete Bewegung von Wasser oder Luft, die sich parallel zur Strömungsrichtung bewegt, im Gegensatz zu turbulenter Strömung ... Geographisches Wörterbuch
