Laminær flyt - Laminar flow

Både jevn og klar laminær strømning og turbulent strømning med skum kan sees i utkanten av Horseshoe Falls .
Hastighetsprofilen forbundet med laminær strømning ligner en kortstokk. Denne strømningsprofilen til et fluid i et rør viser at væsken virker i lag som glir over hverandre.

I væskedynamikk er laminær strømning preget av væskepartikler som følger glatte baner i lag, med hvert lag som beveger seg jevnt forbi de tilstøtende lagene med liten eller ingen blanding. Ved lave hastigheter har væsken en tendens til å flyte uten sideblanding, og tilstøtende lag glir forbi hverandre som spillkort . Det er ingen kryssstrømmer vinkelrett på strømningsretningen, og heller ikke virvler eller virvler. I laminær strømning er bevegelsen til væskens partikler veldig ryddig med partikler nær en fast overflate som beveger seg i rette linjer parallelt med overflaten. Laminær strømning er en strømningsregime karakterisert ved høy fart diffusjon og lav fart konveksjon .

Når et fluid strømmer gjennom en lukket kanal, for eksempel et rør eller mellom to flate plater, kan en av to typer strømning oppstå avhengig av væskens hastighet og viskositet: laminær strømning eller turbulent strømning . Laminær strømning skjer ved lavere hastigheter, under en terskel der strømmen blir turbulent. Hastigheten bestemmes av en dimensjonsløs parameter som karakteriserer strømmen kalt Reynolds -tallet , som også avhenger av viskositeten og tettheten til væsken og kanalens dimensjoner. Turbulent strømning er et mindre ryddig strømningsregime som er preget av virvler eller små pakker med væskepartikler, noe som resulterer i sideblanding. I ikke-vitenskapelige termer er laminær strømning jevn , mens turbulent strømning er grov .

Forholdet til Reynolds -nummeret

En sfære i Stokes flyter, med et veldig lavt Reynolds -tall . Et objekt som beveger seg gjennom en væske opplever en dragkraft i motsatt retning av bevegelsen.

Den type strømning som forekommer i en væske i en kanal er viktig i væskedynamikkproblemer og påvirker deretter varme- og masseoverføring i væskesystemer. Det dimensjonsløse Reynolds -tallet er en viktig parameter i ligningene som beskriver om fullt utviklede strømningsforhold fører til laminær eller turbulent strømning. Reynolds-tallet er forholdet mellom den treghetskraft til den skjærkraft av fluidet: hvor fort fluidet beveger seg i forhold til hvordan viskøs det er, uavhengig av omfanget av fluidsystemet. Laminær strømning oppstår vanligvis når væsken beveger seg sakte eller væsken er veldig viskøs. Etter hvert som Reynolds -tallet øker, for eksempel ved å øke væskens strømningshastighet, vil strømmen overgå fra laminær til turbulent strømning ved et bestemt område av Reynolds -tall, det laminar -turbulente overgangsområdet avhengig av små forstyrrelsesnivåer i væsken eller feil i strømningssystemet. Hvis Reynolds -tallet er veldig lite, mye mindre enn 1, vil væsken vise Stokes eller krypende strømning, der væskens viskøse krefter dominerer treghetskreftene.

Den spesifikke beregningen av Reynolds -tallet, og verdiene der laminær strømning forekommer, vil avhenge av geometrien til strømningssystemet og strømningsmønsteret. Det vanlige eksemplet er strømning gjennom et rør , der Reynolds -tallet er definert som

hvor:

D H errørets hydrauliske diameter (m);
Q er den volumetriske strømningshastigheten (m 3 /s);
A er rørets tverrsnittsareal (m 2 );
u er middelhastigheten til væsken ( SI -enheter : m/s);
μ er væskens dynamiske viskositet (Pa · s = N · s/m 2 = kg/(m · s));
ν er den kinematiske viskositeten til væsken, ν = μ/ρ(m 2 / s);
ρ er tettheten til væsken (kg/m 3 ).

For slike systemer oppstår laminær strømning når Reynolds -tallet er under en kritisk verdi på omtrent 2040, selv om overgangsområdet vanligvis er mellom 1800 og 2100.

For væskesystemer som forekommer på ytre overflater, for eksempel strømning forbi objekter suspendert i væsken, kan andre definisjoner for Reynolds -tall brukes til å forutsi typen flyt rundt objektet. Partikkelen Reynolds -nummer Re p vil for eksempel bli brukt til partikkel suspendert i flytende væsker. Som med strømning i rør, oppstår laminær strømning vanligvis med lavere Reynolds -tall, mens turbulent strømning og relaterte fenomener, for eksempel virvelavstengning , forekommer med høyere Reynolds -tall.

Eksempler

Når det gjelder en plate som beveger seg i en væske, er det funnet at det er et lag (lamina) som beveger seg med platen, og et lag med stasjonær væske ved siden av en stasjonær plate.
  1. En vanlig anvendelse av laminær strømning er i jevn strømning av en viskøs væske gjennom et rør eller rør. I så fall varierer strømningshastigheten fra null ved veggene til et maksimum langs tverrsnittssenteret av fartøyet. Strømningsprofilen til laminær strømning i et rør kan beregnes ved å dele strømmen i tynne sylindriske elementer og påføre viskøs kraft på dem.
  2. Et annet eksempel er luftstrømmen over en flyvinge . Det grenselaget er et meget tynt ark av luft som ligger over overflaten av vingen (og alle andre overflater på fly). Fordi luft har viskositet , har dette luftlaget en tendens til å feste seg til vingen. Når vingen beveger seg fremover gjennom luften, flyter grenselaget først jevnt over den strømlinjeformede formen på flygel . Her er flyten laminær og grenselaget et laminært lag . Prandtl brukte konseptet med det laminære grenselaget på flyblad i 1904.
  3. Et dagligdags eksempel er den langsomme, jevne og optisk transparente strømmen av grunt vann over en jevn barriere.
  4. Når vann forlater en kran med liten kraft, viser det først laminær strømning, men ettersom akselerasjon av tyngdekraften umiddelbart setter inn, øker Reynolds -tallet for strømmen med hastighet, og laminær strømning kan overgå til turbulent strømning. Optisk gjennomsiktighet blir deretter redusert eller tapt helt.
  5. Kombinasjon av laminær og turbulent strømning ved en foss. Laminar (nøyaktig over ryggen) og turbulent strømning (umiddelbart nedstrøms med hvitt skum) av Victoria Falls
    I fossefall forekommer en storskala versjon av eksemplene 3 og 4, som nå faller brede ark med jevnt flytende vann over en ås eller kant av fossen. Umiddelbart setter overgangen til turbulens inn med hastighet på grunn av akselerasjon (Reynolds -tallet krysser terskelen for turbulens) og skummende luftet vann skjuler den fallende strømmen.

Laminerte strømningsbarrierer

Eksperimentelt kammer for å studere kjemotaksi som svar på laminær strømning.

Laminær luftstrøm brukes til å skille luftmengder, eller forhindre luftbårne forurensninger i å komme inn i et område. Laminerte strømningshett brukes til å ekskludere forurensninger fra sensitive prosesser innen vitenskap, elektronikk og medisin. Luftgardiner brukes ofte i kommersielle omgivelser for å hindre at oppvarmet eller nedkjølt luft passerer gjennom døråpninger. En laminær strømningsreaktor (LFR) er en reaktor som bruker laminær strømning for å studere kjemiske reaksjoner og prosessmekanismer. En laminær flytdesign for dyrehold av rotter for sykdomsbehandling ble utviklet av Beall et al 1971 og ble en standard rundt om i verden, inkludert i den daværende østblokken .

Se også

Referanser

Eksterne linker