Przepływ laminarny

Przepływ laminarny wokół cylindra, idealny obraz kolorowej i jednej centralnej czarnej linii opływowej dla granicznego przypadku nieskończenie wolnego przepływu. Przekrój w poprzek osi cylindra.

Przepływu laminarnego ( szer. Products „płytki”), a także z przepływem laminarnym , jest ruch cieczy i gazów , w którym w strefie przejściowej między dwoma różnymi prędkościami przepływu ( hydrodynamiczne warstwa graniczna ), która rozprzestrzenia się w kierunku prostopadłym do kierunku przepływu, nie widoczne występują turbulencje ( wiry / przepływy krzyżowe ): Ciecz przepływa warstwami , które nie mieszają się ze sobą. W tym przypadku (przy stałym natężeniu przepływu w czasie) jest to przeważnie stały przepływ .

Potocznie przepływ, który przebiega wzdłuż ściany lub profilu, jest czasami nazywany przepływem laminarnym . Jednak z technicznego punktu widzenia zjawisko to jest prądem wytrenowanym lub sąsiednim .

nieruchomości

Utworzenie laminarnej warstwy granicznej na płaskiej powierzchni. Re _x jest tutaj dla każdego x mniejszego niż Re _Crit.  ≈ 10 ⁵ . Dlatego długość płyty  x musi być skończona.

Aby zilustrować różnicę między przepływem laminarnym a turbulentnym, fizyk Osborne Reynolds przeprowadził w 1883 r. Eksperyment polegający na zabarwieniu przepływu wody w rurociągu i stwierdził, że turbulencja w rurociągu występuje tylko powyżej określonej prędkości przepływu. Jako kryterium oceny stosuje się liczbę Reynoldsa Re. Jest to zdefiniowane w następujący sposób:

${\ Displaystyle \ mathrm {Re}: = {\ Frac {v \ cdot l} {\ nu}} = {\ Frac {v \ cdot l \ cdot \ rho} {\ eta}}}$,

gdzie ilość charakterystycznej prędkości przepływu , charakterystyczną długość i lepkość kinematyczną i (lub też ) lepkość dynamiczna i gęstość w płynnych jest płynna. ${\ displaystyle v}$${\ displaystyle l}$${\ displaystyle \ nu}$${\ displaystyle \ eta}$${\ displaystyle \ mu}$${\ displaystyle \ rho}$

Powyżej wartości krytycznej przepływ laminarny staje się niestabilny ze względu na niewielkie zakłócenia. Na przykład ta wartość dotyczy przepływu w rurze ${\ displaystyle \ mathrm {Re_ {krit}}}$

${\ Displaystyle \ mathrm {Re_ {krit}} = {\ Frac {v _ {\ mathrm {m.}} \ cdot d} {\ nu}} \ około 2320}$

gdzie jest średnią prędkością przepływu i ma być używana jako długość charakterystyczna średnicy rury . Krytyczna liczba Reynoldsa jest dołączona do przepełnionych płyt ${\ displaystyle v_ {m.}}$${\ displaystyle d}$

${\ Displaystyle \ mathrm {Re_ {krit}} = {\ Frac {v_ {0} \ cdot x} {\ nu}} \ około 10 ^ {5}}$.

Jest to odległość od przedniej krawędzi do tylnej krawędzi płyty i prędkość niezakłóconego przepływu. ${\ displaystyle x}$${\ displaystyle v_ {0}}$

Jeśli przepływ w rurze jest laminarny, zastosowanie ma prawo Hagena-Poiseuille'a . Opisuje przepływ objętościowy przez rurę w stosunku do wewnętrznego promienia rury. ${\ displaystyle {\ tfrac {\ mathrm {d} V} {\ mathrm {d} t}}}$

Przyczyna wystąpienia turbulencji

Zasada działania pierścienia wirowego

Powstawanie wirów w początkowym przepływie laminarnym

Dym dzwoni jak obracający się w sobie torus

Podstawową przyczyną przepływu laminarnego, który staje się niestabilny, a następnie burzliwy po określonej wartości, jest fakt, że pole przepływu takiego przepływu nie jest wolne od wiru w sensie matematycznym jeszcze przed tym . Wolność od wirów oznacza tam między innymi, że krzywa porusza się po krzywej zamkniętej, np. B. poruszające się w kole ciało ani nie zyskuje, ani nie traci energii - na zdjęciu po lewej jednak cząstka, która przemieszcza się szybko w prawo w środku strumienia, a następnie powoli z powrotem w lewo wzdłuż ściany byłaby na stałe zasilana energią prowadzi do powstania wirów rysowanych: Jeśli w obszarze wokół cząstki występują zakłócenia, co praktycznie zawsze ma miejsce, są one wachlowane przez dostawę energii, aż początkowo uporządkowany ruch ( przepływ warstwowy) ostatecznie zmieni się w nieuporządkowany burzliwy przepływ . ${\ displaystyle \ mathrm {Re_ {krit}}}$

Dobrze znanym przykładem tego efektu jest tworzenie się pierścieni dymu (patrz rys.), W których powietrze z otoczenia przejmuje rolę nieruchomej ściany naczynia. Nie wnika teraz zbyt szybko w środek małej chmury dymu utworzonej przed ustami (źródło zasilania), deformuje ją do obracającego się w torusie (pierścieniu wirowym angielskiego pierścienia wirowego ), znanym pierścieniu dymu.

Występowanie w przyrodzie i technologii

Specjalny profil skrzydła do badania przepływu laminarnego w lotnictwie

Przepływy laminarne występują w naturze, na przykład w wodach gruntowych i krwiobiegu , są w zastosowaniach technicznych, ale raczej wyjątek, taki jak inżynieria mikroprocesowa i mikrofluidyka , gdzie już można to zjawisko wykorzystać. Straż pożarna czasami stosuje prostowniki przepływu dla długich węży, ponieważ pozwalają one na użycie znacznie dłuższych długości węża (ważne np. W przypadku pożarów wysokich budynków).

W ostatnich latach (od 2014 r.) W nowoczesnych elementach wodnych i fontannach coraz częściej stosuje się również prostownice przepływowe. W przypadku tzw. Parówek wodnych , tj. H. skaczące strumienie wody są wręcz nieodzowne.

Laminarne warstwy graniczne mają zwykle mniejsze tarcie o ścianki niż turbulentne warstwy graniczne, szczególnie w obszarze krytycznej liczby Reynoldsa. Dlatego w konstrukcji szybowców stosuje się np. Tak zwane profile laminarne, które ze względu na swój kształt mają długi przebieg laminarny (odległość między krawędzią natarcia a punktem przejścia laminarno-turbulentnego) w celu uzyskania niskiego przepływu. opory. Wydłużenie laminarnej warstwy granicznej uzyskuje się poprzez zaprojektowanie profilu, w którym przejście do turbulentnego przepływu warstwy granicznej jest możliwie jak najdłużej opóźnione. Profile laminarne nie tolerują jednak zbyt dużego kąta natarcia, co prowadzi do przeciągnięcia . W szybowcach, a zwłaszcza w modelach samolotów, turbulencje są często celowo wprowadzane przez turbulatory na krótko przed punktem przejścia w laminarnym przepływie warstwy granicznej , aby zapobiec separacji laminarnej, np. B. unikać wiosłowania. Istnieją nawet profile laminarne w dziedzinie budowy modeli, w których turbulatory są absolutnie niezbędne na całej długości, aby uniknąć niestabilności podczas skręcania przez przeciągnięcie.

Ponadto przepływ laminarny może nawet zwiększyć opór, zwiększając objętość śladu z wcześniejszego przeciągnięcia. Najbardziej znanym tego przykładem jest przepływ wokół kuli, którego współczynnik oporu znacznie spada, gdy przepływ zmienia się z laminarnego na turbulentny. Ze względu na minimalne różnice w powierzchni efekt ten pojawia się nagle, a nie dokładnie w tym samym czasie wokół całej piłki, co w zależności od zastosowania może być pożądane (siatkówka: trzepotanie) i niepożądane (piłka golfowa). Te małe zagłębienia na powierzchni piłek golfowych , zwanych dołeczki , tego uniknąć i zapewnić stale burzliwej warstwy granicznej, która zarówno zmniejsza całkowity opór i chroni przed odchylenie toru lotu.

W przepływie turbulentnym tak zwane riblety mogą zmniejszyć opór tarcia.

Przepływ laminarny

Zasada przepływu „pomieszczenie czyste z przepływem laminarnym”

Opisując wyposażenie techniczne, od czasu do czasu spotyka się anglojęzyczny termin laminarny przepływ . Ogólnie należy rozumieć, że oznacza to (głównie pionowo) skierowany przepływ powietrza o niskiej turbulencji . Powstający w ten sposób przepływ o niskiej turbulencji wiruje wokół przeszkód, takich jak maszyny czy stoły. W bezpiecznych stołach warsztatowych warunki przepływu laminarnego są tworzone za pomocą specjalnych systemów wyposażonych w wentylatory, filtry i dystrybutory powietrza (tzw. Laminarizery). Pomieszczenie, przez które nie ma przepływu zwrotnego, ma określoną jakość pomieszczenia czystego (w zależności od zastosowanych filtrów), ponieważ w pomieszczeniu pozostaje tylko sterylne powietrze lub ewentualne cząsteczki są wydmuchiwane w sposób ukierunkowany.

W przemyśle przepływy o niskiej turbulencji (quasi-laminarne) są stosowane wszędzie tam, gdzie należy uniknąć zanieczyszczenia produktu cząstkami w powietrzu. Strumień powietrza zmniejsza turbulencje istniejących cząstek i rozprasza je poprzez strumień powietrza skierowany w dół. To sprawia, że ​​są interesujące do zastosowań, w których zwiększone ryzyko tworzenia się cząstek (np. Z powodu tarcia między ruchomymi częściami) musi być kompensowane, np. B. podczas napełniania farmaceutyków. Typowymi przykładami są pomieszczenia czyste w technologii półprzewodników , medycynie i farmacji.

Innym zastosowaniem są stanowiska pracy, na których stosuje się proszki wybuchowe (proszki wykonane z materiałów organicznych, np. Mąki). Ze względu na przepływ laminarny proszki te nie mogą rozprzestrzeniać się w powietrzu i osiągnąć stanu wybuchowej mieszaniny powietrze-ciało stałe.

Istotną innowacją w Pharmacy Operating Regulations 2005 ABO jest to, że produkcja jałowych leków - zwłaszcza kropli do oczu lub leków do podawania pozajelitowego - musi być przeprowadzana w laboratorium przy użyciu przepływu laminarnego lub izolatora zgodnie z aktualnym stanem techniki w nauka i technologia, chyba że są produkowane w jednym sterylnym pomieszczeniu.

Zobacz też

• turbulentny przepływ
• Wirowa ulica Karmana

literatura

• Joseph H. Spurk, Nuri Aksel : Mechanika płynów. Wprowadzenie do teorii prądów . Szósta, rozszerzona edycja. Springer, Berlin i in. 2006, ISBN 3-540-26293-8 . 

linki internetowe

• Wolny od zawirowań przepływ nielepkiego płynu
• Wideo: Przepływ laminarny . Institute for Scientific Film (IWF) 2004, udostępnione przez Technical Information Library (TIB), doi : 10.3203 / IWF / C-14815 .
• Wideo: Eksperyment z kolorową nicią Reynoldsa - przejście od przepływu laminarnego do turbulentnego . Institute for Scientific Film (IWF) 2004, udostępnione przez Technical Information Library (TIB), doi : 10.3203 / IWF / C-14881 .
• Wideo: Przejście od przepływu laminarnego do turbulentnego . Institute for Scientific Film (IWF) 1960, udostępnione przez Technical Information Library (TIB), doi : 10.3203 / IWF / C-816 .

Indywidualne dowody

1. ↑ Ernst Grimsehl : Podręcznik fizyki. Tom 1: Mechanika, termodynamika, akustyka. Wydanie 15, pod redakcją Waltera Schallreutera. Teubner, Lipsk 1954, s. 271–273.
2. ↑ ^{a b} Cud technologii - Super Wieża . Transmisja na N24 w dniu 24 sierpnia 2014 r.
3. ↑ Szkic profilu - Instytut Aerodynamiki i Dynamiki Gazu. Pobrano 11 marca 2021 r . 
4. ↑ katalog profili aerodesign - modele szybowców. Pobrano 11 marca 2021 r . 
5. ↑ Mechanika płynów 2. Dostęp 11 marca 2021 .