Ламинарный поток

Профиль скорости, связанный с ламинарным потоком, напоминает колоду игральных карт . Этот профиль потока жидкости в трубе показывает, что жидкость действует слоями, которые скользят друг по другу.

Ламинарный поток ( / ˈ l æ m ə n ə r / ) — это свойство частиц жидкости в гидродинамике следовать плавным путям в слоях, при этом каждый слой плавно перемещается мимо соседних слоев с небольшим перемешиванием или без него. ^[1] При малых скоростях жидкость стремится течь без бокового перемешивания, а соседние слои плавно скользят друг мимо друга. Здесь нет поперечных течений, перпендикулярных направлению потока, а также водоворотов или завихрений жидкостей. ^[2] В ламинарном потоке движение частиц жидкости очень упорядочено: частицы, близкие к твердой поверхности, движутся по прямым линиям, параллельным этой поверхности. ^[3] Ламинарный поток — это режим течения, характеризующийся диффузией с высоким импульсом и конвекцией с низким импульсом .

Когда жидкость течет через закрытый канал, такой как труба, или между двумя плоскими пластинами, в зависимости от скорости и вязкости жидкости может возникнуть один из двух типов потока: ламинарный поток или турбулентный поток . Ламинарный поток возникает при более низких скоростях, ниже порога, при котором поток становится турбулентным. Пороговая скорость определяется безразмерным параметром, характеризующим поток, называемым числом Рейнольдса , который также зависит от вязкости и плотности жидкости и размеров канала. Турбулентный поток — это менее упорядоченный режим потока, который характеризуется вихрями или небольшими пакетами частиц жидкости, что приводит к боковому перемешиванию. ^[2] Говоря ненаучными терминами, ламинарный поток является гладким , а турбулентный поток — неровным .

Связь с числом Рейнольдса

Тип течения жидкости в канале важен в задачах гидродинамики и впоследствии влияет на тепло- и массоперенос в жидкостных системах. Безразмерное . число Рейнольдса является важным параметром в уравнениях, которые описывают, приводят ли полностью развитые условия потока к ламинарному или турбулентному потоку Число Рейнольдса — это отношение силы инерции к силе сдвига жидкости: насколько быстро движется жидкость относительно ее вязкости , независимо от масштаба жидкостной системы. Ламинарный поток обычно возникает, когда жидкость движется медленно или жидкость очень вязкая. По мере увеличения числа Рейнольдса, например, за счет увеличения скорости потока жидкости, поток будет переходить от ламинарного к турбулентному потоку в определенном диапазоне чисел Рейнольдса, причем диапазон ламинарно-турбулентного перехода зависит от небольших уровней возмущений в жидкости или дефектов. в проточной системе. Если число Рейнольдса очень мало, намного меньше 1, то жидкость будет проявлять Стоксово , или ползучее, течение, при котором вязкие силы жидкости доминируют над силами инерции.

Конкретный расчет числа Рейнольдса и значений, при которых возникает ламинарный поток, будут зависеть от геометрии системы потока и характера потока. Типичным примером является поток через трубу , где число Рейнольдса определяется как

\mathrm {Re} ={\frac {\rho uD_{\text{H}}}{\mu }}={\frac {uD_{\text{H}}}{\nu }}={\frac {QD_{\text{H}}}{\nu A}},

где:

D H

– гидравлический диаметр трубы (м);

Q

– объемный расход (м ³/с);

A

— площадь поперечного сечения трубы (м ²);

u

— средняя скорость жидкости ( единицы СИ : м/с);

μ

— динамическая вязкость жидкости (Па·с = Н·с/м ² = кг/(м·с));

ν

— кинематическая вязкость жидкости,

ν = .mw-parser-output .sfrac{white-space:nowrap}.mw-parser-output .sfrac.tion,.mw-parser-output .sfrac .tion{display:inline-block;vertical-align:-0.5em;font-size:85%;text-align:center}.mw-parser-output .sfrac .num{display:block;line-height:1em;margin:0.0em 0.1em;border-bottom:1px solid}.mw-parser-output .sfrac .den{display:block;line-height:1em;margin:0.1em 0.1em}.mw-parser-output .sr-only{border:0;clip:rect(0,0,0,0);clip-path:polygon(0px 0px,0px 0px,0px 0px);height:1px;margin:-1px;overflow:hidden;padding:0;position:absolute;width:1px}⁠ µ / ρ ⁠

(м ²/с);

ρ

— плотность жидкости (кг/м ³).

В таких системах ламинарный поток возникает, когда число Рейнольдса ниже критического значения примерно 2040, хотя диапазон перехода обычно составляет от 1800 до 2100. ^[4]

Для жидкостных систем, возникающих на внешних поверхностях, таких как обтекание объектов, подвешенных в жидкости, можно использовать другие определения чисел Рейнольдса для прогнозирования типа потока вокруг объекта. число Рейнольдса частицы Re _p Например, будет использоваться для частиц, взвешенных в текущих жидкостях. Как и поток в трубах, ламинарный поток обычно возникает при более низких числах Рейнольдса, тогда как турбулентный поток и связанные с ним явления, такие как образование вихрей , возникают при более высоких числах Рейнольдса.

Примеры

В случае движущейся пластины в жидкости обнаружено, что существует слой (ламина), который движется вместе с пластиной, и слой неподвижной жидкости рядом с любой неподвижной пластиной.

Обычное применение ламинарного потока - плавное течение вязкой жидкости через трубку или трубу. В этом случае скорость потока изменяется от нуля у стенок до максимума в центре поперечного сечения сосуда. Профиль ламинарного течения в трубе можно рассчитать, разделив поток на тонкие цилиндрические элементы и приложив к ним силу вязкости. ^[5]

Другой пример — поток воздуха над крылом самолета . Пограничный слой — это очень тонкий слой воздуха, лежащий над поверхностью крыла (и всех других поверхностей самолета). Поскольку воздух имеет вязкость , этот слой имеет тенденцию прилипать к крылу. Когда крыло движется вперед в воздухе, пограничный слой сначала плавно течет по обтекаемой форме аэродинамического профиля . Здесь течение ламинарное, а пограничный слой представляет собой ламинарный слой. Прандтль применил концепцию ламинарного пограничного слоя к аэродинамическим профилям в 1904 году. ^[6]^[7]

Повседневный пример – медленное, плавное и оптически прозрачное течение мелкой воды через гладкую преграду. ^[8]

Когда вода выходит из крана без аэратора с небольшой силой, она сначала демонстрирует ламинарное течение, но как только сразу же наступает ускорение силой тяжести, число Рейнольдса потока увеличивается со скоростью, и ламинарное течение воды ниже по течению от крана. кран может перейти в турбулентный поток. Оптическая прозрачность при этом снижается или полностью теряется.

Барьеры ламинарного потока

Экспериментальная камера для изучения хемотаксиса в ответ на ламинарный поток

Ламинарный поток воздуха используется для разделения объемов воздуха или предотвращения попадания загрязняющих веществ в помещение. Вытяжные шкафы с ламинарным потоком используются для исключения загрязнений из чувствительных процессов в науке, электронике и медицине. Воздушные завесы часто используются в коммерческих помещениях для предотвращения прохождения нагретого или охлажденного воздуха через дверные проемы. Реактор с ламинарным потоком (LFR) — это реактор , который использует ламинарный поток для изучения химических реакций и механизмов процессов. Схема ламинарного потока для содержания крыс в целях борьбы с болезнями была разработана Beall et al. 1971 г. и стал стандартом во всем мире. ^[9] в том числе в тогдашнем Восточном блоке . ^[10]

См. также

Ссылки

^ Стритер, В.Л. (1951-1966) Механика жидкости , раздел 3.3 (4-е издание). МакГроу-Хилл
^ Перейти обратно: ^а ^б Геанкоплис, Кристи Джон (2003). Транспортные процессы и принципы процессов разделения . Профессиональный технический справочник Прентис Холл. ISBN 978-0-13-101367-4 . Архивировано из оригинала 1 мая 2015 г.
^ Ноукс, Кэт; Сани, Эндрю (январь 2009 г.). «Настоящие жидкости» . Введение в механику жидкости . Университет Лидса. Архивировано из оригинала 21 октября 2010 года . Проверено 23 ноября 2010 г.
^ Авила, К.; Мокси, Д.; де Лозар, А.; Авила, М.; Баркли, Д.; Хоф, Б. (июль 2011 г.). «Начало турбулентности в потоке труб». Наука . 333 (6039): 192–196. Бибкод : 2011Sci...333..192A . дои : 10.1126/science.1203223 . ПМИД 21737736 . S2CID 22560587 .
^ Нейв, Р. (2005). «Ламинарный поток» . Гиперфизика . Государственный университет Джорджии. Архивировано из оригинала 19 февраля 2011 года . Проверено 23 ноября 2010 г.
^ Андерсон, доктор медицинских наук (1997). История аэродинамики и ее влияние на летательные аппараты . Издательство Кембриджского университета. ISBN 0-521-66955-3 .
^ Роджерс, Д.Ф. (1992). Анализ ламинарного потока . Издательство Кембриджского университета. ISBN 0-521-41152-1 .
^ государь578. «Ламинарное течение в природе» . Ютуб . Проверено 17 декабря 2019 г. {{cite web}}: CS1 maint: числовые имена: список авторов ( ссылка )
^ Фейт, Роберт Э.; Хесслер, Джек Р. (2006). «10. Жилье и окружающая среда». В Сукове, Марк А.; Вайсброт, Стивен Х.; Франклин, Крейг Л. (ред.). Лабораторная крыса (2-е изд.). Амстердам Бостон: Американский колледж медицины лабораторных животных ( AP ). п. 304/стр. 304–337/xvi+912. ISBN 978-0-08-045432-0 . OCLC 162569241 . ISBN 9780120749034 ISBN 0120749033
^ Травничек Ю.; Мандель, Л. (1979). «Гнотобиотические методы». Фолиа микробиологическая . 24 (1). Чехословацкое общество микробиологии ( Шпрингер ): 6–10. дои : 10.1007/bf02927240 . ISSN 0015-5632 . ПМИД 374207 . S2CID 6421827 .

Внешние ссылки

[1] Стритер, В.Л. (1951-1966) Механика жидкости , раздел 3.3 (4-е издание). МакГроу-Хилл

[Geankoplis,_Christie_John_2003-2] Перейти обратно: ^а ^б Геанкоплис, Кристи Джон (2003). Транспортные процессы и принципы процессов разделения . Профессиональный технический справочник Прентис Холл. ISBN 978-0-13-101367-4 . Архивировано из оригинала 1 мая 2015 г.

[3] Ноукс, Кэт; Сани, Эндрю (январь 2009 г.). «Настоящие жидкости» . Введение в механику жидкости . Университет Лидса. Архивировано из оригинала 21 октября 2010 года . Проверено 23 ноября 2010 г.

[Recrit-4] Авила, К.; Мокси, Д.; де Лозар, А.; Авила, М.; Баркли, Д.; Хоф, Б. (июль 2011 г.). «Начало турбулентности в потоке труб». Наука . 333 (6039): 192–196. Бибкод : 2011Sci...333..192A . дои : 10.1126/science.1203223 . ПМИД 21737736 . S2CID 22560587 .

[5] Нейв, Р. (2005). «Ламинарный поток» . Гиперфизика . Государственный университет Джорджии. Архивировано из оригинала 19 февраля 2011 года . Проверено 23 ноября 2010 г.

[6] Андерсон, доктор медицинских наук (1997). История аэродинамики и ее влияние на летательные аппараты . Издательство Кембриджского университета. ISBN 0-521-66955-3 .

[7] Роджерс, Д.Ф. (1992). Анализ ламинарного потока . Издательство Кембриджского университета. ISBN 0-521-41152-1 .

[8] государь578. «Ламинарное течение в природе» . Ютуб . Проверено 17 декабря 2019 г. {{cite web}}: CS1 maint: числовые имена: список авторов ( ссылка )

[Suckow-2006-9] Фейт, Роберт Э.; Хесслер, Джек Р. (2006). «10. Жилье и окружающая среда». В Сукове, Марк А.; Вайсброт, Стивен Х.; Франклин, Крейг Л. (ред.). Лабораторная крыса (2-е изд.). Амстердам Бостон: Американский колледж медицины лабораторных животных ( AP ). п. 304/стр. 304–337/xvi+912. ISBN 978-0-08-045432-0 . OCLC 162569241 . ISBN 9780120749034 ISBN 0120749033

[Travnicek-Mandel-1979-10] Травничек Ю.; Мандель, Л. (1979). «Гнотобиотические методы». Фолиа микробиологическая . 24 (1). Чехословацкое общество микробиологии ( Шпрингер ): 6–10. дои : 10.1007/bf02927240 . ISSN 0015-5632 . ПМИД 374207 . S2CID 6421827 .

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]

[8]

[9]

[10]