Bilim.techО проекте

Ламинарное и турбулентное течение

Почему густое масло зимой течет плавно, а вода в трубе бурлит? Число Рейнольдса, режимы течения и потери на трение в трубах.

01 Что это такое

Жидкость в трубе течет либо ровными слоями, либо вихрями. Какой режим будет, решает одно число: число Рейнольдса.

В 1883 году Осборн Рейнольдс пустил в стеклянную трубу с водой тонкую струйку краски. При малой скорости краска шла ровной нитью от входа до выхода: слои жидкости скользили друг по другу и не смешивались. Это ламинарное течение. Стоило открыть кран сильнее, и нить начинала дрожать, рваться и быстро окрашивала всю трубу: течение стало турбулентным.

Режим зависит не от одной скорости, а от сочетания Re = v d / ν: скорость, диаметр трубы и вязкость жидкости. Если Re меньше 2300, течение ламинарное, если больше 4000, турбулентное. От режима зависят профиль скорости по сечению и то, сколько давления труба отнимет у насоса.

Re < 2300: ламинарноекраска идет ровной нитью, слои не смешиваютсяumax = 2 vсрпараболаRe > 4000: турбулентноенить рвется, вихри перемешивают краску по всему сечениюumax ≈ 1,2 vсрплоский профильпрофили скорости
Опыт Рейнольдса. Одна и та же труба, разная скорость. При ламинарном течении жидкость в центре бежит вдвое быстрее средней, у стенки стоит. При турбулентном вихри выравнивают скорость по сечению, и профиль становится почти плоским.
Re
Число Рейнольдса, без единиц. Re = v d / ν, отношение сил инерции к силам вязкости. Мало: вязкость гасит любые завихрения. Велико: инерция их раскачивает.
ν
Кинематическая вязкость, м²/с. У воды около 1·10⁻⁶ м²/с (1 мм²/с, или 1 сСт), у теплого гидравлического масла 30 - 50 мм²/с, у того же масла на морозе тысячи.
λ
Коэффициент потерь на трение, без единиц. Показывает, какую долю давления съедает каждый отрезок трубы длиной в диаметр. Зависит от Re и шероховатости стенки.
02 Опыт
Разгоняй поток. Меняй жидкость и температуру. Смотри на краску. КРАСКА ПОКАЗЫВАЕТ РЕЖИМ ТЕЧЕНИЯ
ГИДРАВЛИКА

Когда струйка в трубе рвется на вихри?

Рис. 8.3
ГОТОВЫЕ СЛУЧАИ

Число Рейнольдса, Re
Потери давления на длине, Δp
Мощность потерь, N

ⓘ Труба круглая, прямая, жидкость несжимаемая, течение установившееся и уже развито по длине (участок разгона у входа не учтен). Местные потери в коленах, кранах и фитингах не считаются, о них в теме 8.2 «Уравнение Бернулли». Вязкость масла и топлива пересчитывается с температурой по формуле Вальтера, воды и воздуха по справочным зависимостям, меда примерно. Числа в готовых случаях примерные. В переходной зоне 2300 - 4000 λ взята плавным переходом, на деле она скачет. Шероховатость на рисунке сильно преувеличена.

03 Формулы по буквам

Число Рейнольдса, потери давления и коэффициент трения

Все три карточки берут числа из опыта. Двигай ползунки или выбери готовый случай, и подстановка пересчитается.

Какой будет режим течения?

Re = v d / ν
Reкр ≈ 2300

Число Рейнольдса равно скорости, умноженной на диаметр и деленной на кинематическую вязкость. Меньше 2300 течение ламинарное, больше 4000 турбулентное.

v
средняя скорость, м/с: расход, деленный на площадь сечения, v = Q / (π d² / 4)
d
внутренний диаметр трубы, м. Для щели или канала другой формы берут гидравлический диаметр 4 · площадь / периметр
ν
кинематическая вязкость, м²/с: ν = μ / ρ, где μ динамическая вязкость, Па·с. В паспорте масла дается в мм²/с (сСт) при 40 и 100 °C

Сколько давления съест труба?

Δp = λ · (L / d) · ρ v² / 2

Формула Дарси и Вейсбаха: потери равны скоростному напору ρ v² / 2, умноженному на число диаметров в длине трубы и на коэффициент трения λ.

Δp
потери давления на длине L, Па. 1 бар = 10⁵ Па = 0,1 МПа
L / d
длина трубы в диаметрах: тонкая длинная труба теряет больше
ρ v² / 2
скоростной напор, Па: кинетическая энергия кубометра жидкости, как в уравнении Бернулли (тема 8.2)

Чему равен коэффициент трения?

λ = 64 / Re
λ = 0,316 / Re0,25

При ламинарном течении λ обратно пропорциональна Re и не зависит от стенки. При турбулентном в гладкой трубе действует формула Блазиуса, а в шероховатой λ больше и считается по Альтшулю: λ = 0,11 (Δ/d + 68/Re)0,25.

64 / Re
ламинарное течение, Re < 2300. Следует из закона Пуазейля
0,316 / Re0,25
Блазиус: гладкая труба, Re от 4000 до 100 000
Δ
высота бугорков шероховатости, мм: новая сталь 0,05, ржавая 0,5, РВД и медь около 0,0015

Откуда берется Re и почему ламинарные потери растут пропорционально скорости

Возьми кубик жидкости со стороной d, который летит со скоростью v. Чтобы его затормозить или повернуть, нужна сила инерции порядка ρ v² d² (масса ρ d³ на ускорение v² / d, как во втором законе Ньютона из темы 3.1). Вязкость сопротивляется сдвигу слоев с силой порядка μ (v / d) · d² = μ v d. Отношение этих сил ρ v² d² / (μ v d) = ρ v d / μ = v d / ν и есть число Рейнольдса. Когда оно мало, вязкость гасит любое случайное завихрение. Когда велико, инерция раскачивает его быстрее, чем вязкость успевает успокоить.

Теперь ламинарное течение. Выдели в трубе жидкий цилиндр радиуса r и длины L. Его толкает перепад давления Δp · π r², а тормозит вязкое трение по боковой поверхности τ · 2π r L. Течение установилось, значит силы равны: τ = Δp r / (2L). По закону Ньютона для вязкости τ = −μ du/dr. Проинтегрируй от стенки, где u = 0, и получишь u = Δp (R² − r²) / (4 μ L): это парабола, в центре скорость наибольшая и ровно вдвое больше средней.

Средняя скорость v = Δp R² / (8 μ L), откуда Δp = 32 μ L v / d² (закон Пуазейля). Потери пропорциональны первой степени скорости: вдвое быстрее, вдвое больше потерь. Перепиши это в виде Дарси и Вейсбаха, и получится λ = 64 / Re. При турбулентном течении вихри переносят импульс поперек потока и трут о стенку с силой, пропорциональной ρ v², поэтому потери растут как v1,75 в гладкой трубе и как v² в шероховатой.

rRp₁p₂τ · 2πrLжидкий цилиндр, длина Lu(r)(p₁ − p₂) · πr² = τ · 2πrLτ = −μ du/dr → u = Δp (R² − r²) / (4μL)
Жидкий цилиндр в ламинарном потоке. Давление толкает его торцы, вязкое трение о соседний слой тормозит боковую поверхность. Из равновесия этих сил получается параболический профиль и закон Пуазейля.
04 Где и зачем это применяют

От гидравлики экскаватора до водоотлива карьера

Допущения модели+

Труба круглая, прямая, с постоянным сечением, жидкость ньютоновская и несжимаемая (для воздуха это верно при скоростях до 50 - 70 м/с), температура по длине трубы не меняется. Течение установившееся и полностью развитое: у входа есть участок длиной до 0,06 Re · d при ламинарном и 10 - 40 d при турбулентном течении, где профиль еще формируется, его потери не учтены. Граница 2300 условная: в очень гладкой трубе без возмущений ламинарное течение держится и при Re 10 000 и выше, но любой толчок, колено или насос его срывает. В переходной зоне λ взята плавным переходом между 64 / 2300 и турбулентным значением при Re = 4000. Турбулентный коэффициент считается по формуле Альтшуля, при нулевой шероховатости она совпадает с Блазиусом; это упрощенная диаграмма Муди с погрешностью до 5 - 10 %. Турбулентный профиль взят степенным с показателем 1/6 - 1/10. Вязкость масла HVLP 46 считается по формуле Вальтера по точкам 46 мм²/с при 40 °C и 8 мм²/с при 100 °C, дизтоплива по точкам 5 мм²/с при 20 °C и 3,2 мм²/с при 40 °C, без учета застывания. Вязкость меда задана примерной экспонентой. Частицы и краска на рисунке движутся условно медленно, чтобы режим был виден глазом.

Еще в направлении «Механика»

Все темы направления «Механика» →