Laminar Vs. Τυρβώδης Ροή

Στρωτό έναντι τυρβώδους Η ροή μπορεί να χαρακτηρίσει τον τρόπο με τον οποίο κινείται το υγρό, με μια στρωτή ροή να είναι πιο ομαλή, τακτική ροή και μια τυρβώδης ροή να είναι τραχιά και χαοτική. Η στρωτή ροή έχει σταθερή ταχύτητα σε οποιοδήποτε σημείο του ρευστού, φανταστείτε παρόμοια με μια σταθερή ροή κυκλοφορίας. Η τυρβώδης ροή είναι χαοτική, σχηματίζει δίνες και δίνες και είναι παρόμοια με τη ροή ενός ορμητού νερού.

Έχετε ξανακούσει τους όρους τυρβώδης ροή και στρωτή ροή; Αναφέρονται στην κίνηση των σωματιδίων καθώς κινούνται μέσα από μια ουσία. Η κίνηση των σωματιδίων ενός ρευστού μεταξύ των στρωμάτων της ουσίας είναι αυτή που καθορίζει εάν η ροή είναι στρωτή ή τυρβώδης. Η διάκριση μεταξύ στρωτής και τυρβώδους ροής είναι εξαιρετικά σημαντική στη μηχανική, επειδή ο τύπος της ροής επηρεάζει τον τρόπο μεταφοράς της μάζας και της θερμότητας.

Ποια είναι ακριβώς η διαφορά μεταξύ των δύο τύπων ροής; Ας ρίξουμε μια πιο προσεκτική ματιά στη διαφορά μεταξύ τυρβώδους και στρωτής ροής για να μάθουμε.

Με απλά λόγια, στρωτή ροή είναι όταν κάθε σωματίδιο ρευστού ρέει κατά μήκος μιας ομαλής διαδρομής. Τα σωματίδια του ρευστού δεν παρεμβαίνουν μεταξύ τους, δεν αναμειγνύονται ή μετατοπίζονται μεταξύ των στρωμάτων. Τυρβώδης ροή είναι όταν η ροή ενός ρευστού είναι ακανόνιστη. Τα σωματίδια σε τυρβώδη ροή μπορούν να κινούνται εμπρός και πίσω μεταξύ των στρωμάτων, αναμειγνύονται και πέφτουν σε μοτίβα ροής που μοιάζουν με δίνη.

Αυτή είναι η βασική διαφορά μεταξύ της στρωτής και της τυρβώδους ροής, αλλά για να δούμε γιατί αυτές οι διακρίσεις έχουν σημασία, είναι σημαντικό να τις εξετάσουμε στο πλήρες πλαίσιο τους.

Υπολογισμός της ροής ενός ρευστού – αριθμός Reynolds

Αυτό που καθορίζει εάν η ροή ενός ρευστού ταξινομείται ως στρωτή ή τυρβώδης είναι ο αριθμός Reynolds της ροής. Ο αριθμός Reynolds είναι ένας υπολογισμός που ορίζει τη ροή ενός ρευστού ως τον λόγο των αδρανειακών δυνάμεων προς τις δυνάμεις του ιξώδους.

Αυτή είναι η εξίσωση για τον αριθμό Reynolds:

RE =pVD/μ.

Το P είναι η πυκνότητα του ρευστού, το V αναφέρεται στην ταχύτητα του ρευστού, το D είναι η διάμετρος του σωλήνα που περιέχει το ρέον ρευστό και το μ είναι ο συντελεστής ιξώδους. Εάν ο αριθμός Reynolds υπολογίζεται σε μικρότερο από 2300, η ​​ροή του ρευστού θεωρείται στρωτή. Εάν ο αριθμός Reynolds είναι μεγαλύτερος από 4000, η ​​ροή του ρευστού ταξινομείται ως τυρβώδης. Ενώ πολλά έργα μηχανικής ασχολούνται είτε με τυρβώδη είτε με στρωτή ροή, υπάρχει μια ενδιάμεση φάση που υπάρχει μεταξύ των δύο φάσεων. Η μεταβατική ροή ταξινομείται ως οι ροές που υπάρχουν μεταξύ των αριθμών Reynolds 2300 και 4000.

Λασματική ροή

Το κύριο χαρακτηριστικό της στρωτής ροής είναι η βελτιωμένη ροή, χωρίς στροβιλισμούς ή εγκάρσια ρεύματα. Αν φανταστεί κανείς διαφορετικά στρώματα ρευστού, χωρισμένα σε σειρές/κύλινδρους με ποικίλες ακτίνες, τα στρώματα του ρευστού δεν θα αναμειγνύονταν με κανέναν τρόπο. Το ρευστό θα ρέει χωρίς παρεμβολές ή διαταραχές και η διαδρομή της ροής δεν θα έχει στροβιλισμούς ή εγκάρσια ρεύματα.

Τα στρώματα ή οι «σωλήνες» του ρευστού θα εξακολουθούσαν να ρέουν με διαφορετικές ταχύτητες, παρόλο που δεν διασταυρώνονται ή τέμνονται. Το κεντρικό, εσωτερικό στρώμα θα είχε την ταχύτερη ταχύτητα ροής ενώ τα εξωτερικά στρώματα θα είχαν πολύ πιο αργή ταχύτητα ροής (μερικές φορές σχεδόν δεν κινούνται καθόλου). Γενικά, η ταχύτητα ενός ρευστού με στρωτή ροή είναι εξαιρετικά χαμηλή.

Οι πραγματικές εφαρμογές για στρωτές ροές περιλαμβάνουν οποιοδήποτε υγρό που ρέει μέσω ενός σωλήνα. Αυτό συμβαίνει επειδή οι διαστάσεις του σωλήνα ή του σωλήνα παραμένουν σταθερές και ως αποτέλεσμα, ο όγκος του ρευστού δεν έχει την ευκαιρία να αλλάξει. Η στρωτή ροή αέρα πάνω από το φτερό ενός αεροπλάνου είναι μια σημαντική παράμετρος κατά τον σχεδιασμό αεροπλάνων. Τα φτερά των αεροπλάνων είναι συχνά σχεδιασμένα για να διασφαλίζουν ότι ο αέρας ρέει από πάνω τους με στρωτό τρόπο, ελαχιστοποιώντας τις αναταράξεις.

Τυρβώδης ροή

Η τυρβώδης ροή χαρακτηρίζεται από τη χαοτική και τραχιά κίνηση των σωματιδίων μέσα σε μια περιοχή. Φανταζόμενοι πάλι στρώματα ρευστού, μπορείτε να σκεφτείτε τα διάφορα στρώματα να αναμειγνύονται το ένα με το άλλο, με μια μεγάλη ποσότητα τριβής που υπάρχει μεταξύ των ορίων των διαφορετικών στρωμάτων. Τα μόρια πετιούνται με ακανόνιστο τρόπο και μπορούν εύκολα να βρεθούν στροβιλισμοί και κύματα μέσα στη ροή.

Τα υγρά που βρίσκονται σε τυρβώδη ροή έχουν μια σημαντική ποσότητα κινητικής ενέργειας μέσα τους. Όσο αυτή η ενέργεια παραμένει, η ροή θα συνεχίσει να είναι ταραχώδης και ακανόνιστη. Μόλις εξαντληθεί η ενέργεια, η ροή μεταβαίνει σε στρωτή κατάσταση. Η ταχύτητα ενός τυρβώδους ρευστού είναι συνήθως υψηλή, εξισορροπούμενη καθώς μεταβαίνει σε κατάσταση στρωτής ροής.

Ένα εύκολο στην κατανόηση παράδειγμα στρωτής ροής είναι τα κύματα και τα ρεύματα που βρίσκονται στον ωκεανό, τα οποία συγκρούονται και αναμειγνύονται το ένα με το άλλο. Η ταραχώδης φύση του νερού, και πολλών ρευστών, οδηγείται από τη μεταφορά. Η συναγωγή κάνει πολλά διαφορετικά ρευστά, όπως τον ίδιο τον αέρα, τυρβώδη.

Αλληλεπιδράσεις μεταξύ τυρβώδους και στρωτής ροής

Τα υγρά μπορούν και συχνά κάνουν μετάβαση μεταξύ τυρβώδους και στρωτής ροής. Η μετάβαση μεταξύ των δύο διαφορετικών ειδών ροών μπορεί να επηρεαστεί από μια ποικιλία διαφορετικών μεταβλητών.

Οι αλλαγές στην περιοχή από την οποία ρέει ένα ρευστό μπορούν εύκολα να επηρεάσουν τον αριθμό Reynolds ενός ρέοντος ρευστού. Για παράδειγμα, σκεφτείτε πώς αλλάζει η ροή του νερού σε έναν σωλήνα όταν ανοίγει μια βρύση και βγαίνει το νερό. Όταν το νερό βρίσκεται εντός του υδραυλικού συστήματος ενός σπιτιού, είναι σε στρωτή ροή, αλλά όταν ανοίγετε τη βρύση και το νερό βγαίνει στον νεροχύτη, το νερό που χτυπά στο κάτω μέρος του νεροχύτη θα ρέει τώρα ταραχώδη.

Ένα άλλο παράδειγμα είναι πώς ρέει το αίμα που βρίσκεται στο ανθρώπινο σώμα. Υπό τις περισσότερες συνθήκες, το αίμα ρέει μέσω των αρτηριών και των φλεβών του σώματος με στρωτό τρόπο. Ωστόσο, εάν μια αρτηρία ή φλέβα είναι φραγμένη, ρέει σε κατεύθυνση αντίθετη από την πίεση της καρδιάς ή απλώς ρέει γύρω από μια καμπύλη στο σώμα, η ροή του αίματος θα είναι ταραχώδης.

Οι αλλαγές στη ροή του ρευστού μπορεί επίσης να οφείλονται σε αλληλεπιδράσεις με ένα αντικείμενο που κινείται μέσω του αέρα, προκαλώντας ανάμειξη ή ευθυγράμμιση των στρωμάτων υγρού καθώς κινείται κατά μήκος. Για παράδειγμα, ενώ ο αέρας που κινείται πάνω από το φτερό ενός αεροπλάνου γενικά ρέει με στρωτό τρόπο, ο αέρας που περιβάλλει την πεδιάδα πιθανότατα ρέει ταραχώδης. Οι άκρες των φτερών του αεροπλάνου δημιουργούν συχνά μια δίνη στις άκρες, που κάνει τον αέρα σε αυτήν την περιοχή να αρχίσει να ρέει ταραχώδης. Αυτή είναι μια μορφή αφύπνισης αναταράξεων, οι αναταράξεις που δημιουργούνται στον απόηχο ενός αεροπλάνου καθώς διέρχεται από τον αέρα.

Για τους λόγους που αναφέρθηκαν παραπάνω, η στρωτή ροή και η τυρβώδης ροή είναι σημαντικά ζητήματα στην επιστήμη της δυναμικής των ρευστών.