Przepływ płynów laminarnych i turbulentnych: opis, cechy i ciekawe fakty

Hydrodynamika jest najważniejszą częścią fizyki, która bada prawa ruchu płynów w zależności od warunków zewnętrznych. Ważną kwestią rozważaną w hydrodynamice jest kwestia określenia laminarnego i turbulentnego przepływu płynu.

Co to jest płyn?

Aby lepiej zrozumieć problem laminarnego i turbulentnego przepływu płynu, należy zacząć zastanawiać się, czym jest ta substancja.

Płyn w fizyce jest jednym z 3 stanów skupienia materii, który w danych warunkach jest w stanie utrzymać swoją objętość, ale który, pod wpływem minimalnych sił stycznych, zmienia swój kształt i zaczyna płynąć. W przeciwieństwie do ciała stałego, w cieczy nie ma sił oporowych na wpływy zewnętrzne, które dążyłyby do odzyskania pierwotnej formy. Ciecz różni się od gazów tym, że jest w stanie utrzymać swoją objętość przy stałym zewnętrznym ciśnieniu i temperaturze.

Parametry opisujące właściwości cieczy

Kwestię laminarnego i turbulentnego przepływu określa się z jednej strony właściwościami układu, w którym rozpatrywany jest ruch płynu, az drugiej strony właściwościami płynnej substancji. Podajemy podstawowe właściwości cieczy:

• Gęstość Jakikolwiek płyn jest jednorodny, dlatego ze względu na jego charakterystykę należy stosować tę ilość fizyczną, odzwierciedlającą ilość masy płynnej substancji, która spada na objętość jednostkową.
• Lepkość Wartość ta charakteryzuje tarcie występujące pomiędzy różnymi warstwami płynu w trakcie jego przepływu. Ponieważ w cieczach potencjalna energia cząsteczek jest w przybliżeniu równa ich energii kinetycznej, powoduje ona obecność pewnej lepkości w dowolnych rzeczywistych substancjach płynnych. Ta właściwość płynów jest przyczyną utraty energii w trakcie ich przepływu.
• Kompresyjność Wraz ze wzrostem ciśnienia zewnętrznego, każda płynna substancja zmniejsza swoją objętość, jednak w przypadku cieczy ciśnienie to musi być wystarczająco wysokie, aby nieznacznie zmniejszyć zajmowaną przez nie objętość, dlatego w większości praktycznych przypadków ten stan skupienia uważa się za nieściśliwy.
• Napięcie powierzchniowe. Wartość ta jest określona przez pracę, która musi zostać wydatkowana, aby utworzyć powierzchnię jednostki cieczy. Istnienie napięcia powierzchniowego spowodowane obecnością sił oddziaływań międzycząsteczkowych w cieczach i determinuje ich właściwości kapilarne.

Przepływ laminarny

Studiując zagadnienie przepływu turbulentnego i laminarnego, najpierw rozważamy to drugie. Jeśli dla płynu znajdującego się w rurze, aby utworzyć różnicę ciśnień na końcach tej rury, zacznie ona płynąć. Jeśli przepływ substancji jest spokojny, a każda jej warstwa porusza się po gładkiej trajektorii, która nie przecina linii ruchu innych warstw, wówczas mówimy o reżimie laminarnego przepływu. Podczas niej każda cząsteczka płynu przemieszcza się wzdłuż rury wzdłuż określonej ścieżki.

Funkcje przepływu laminarnego są następujące:

• Mieszanie pomiędzy poszczególnymi warstwami płynnej substancji nie istnieje.
• Warstwy znajdujące się bliżej osi rury poruszają się z większą prędkością niż warstwy znajdujące się na jej obwodzie. Jest to spowodowane obecnością sił tarcia między cząsteczkami cieczy i wewnętrzną powierzchnią rury.

Przykładem przepływu laminarnego są równoległe strumienie wody wypływające z prysznica. Jeśli do przepływu laminarnego dodaje się kilka kropli barwnika, można zobaczyć, w jaki sposób są wciągane do strumienia, który kontynuuje swój płynny przepływ bez mieszania się w objętości cieczy.

Przepływ turbulentny

Ten tryb zasadniczo różni się od laminarnego. Turbulentny przepływ jest chaotycznym przepływem, w którym każda cząsteczka porusza się wzdłuż arbitralnej trajektorii, którą można przewidzieć tylko w początkowym momencie czasu. Ten tryb charakteryzuje się turbulencją i kolistymi ruchami małych objętości w przepływie płynu. Niemniej jednak, pomimo losowości trajektorii poszczególnych cząsteczek, całkowity przepływ porusza się w pewnym kierunku, a prędkość tę można scharakteryzować za pomocą pewnej średniej wartości.

Przykładem burzliwego przepływu jest przepływ wody w górskiej rzece. Jeśli upuścisz barwnik w takim strumieniu, zobaczysz, że w początkowym momencie pojawi się strumień, który zacznie odczuwać zniekształcenia i niewielkie skręty, a następnie zniknie, mieszając się w całej objętości cieczy.

Co decyduje o przepływie płynu?

Warunki przepływu laminarnego lub turbulentnego zależą od stosunku dwóch wielkości: lepkości płynnej substancji, która determinuje tarcie pomiędzy warstwami cieczy i sił bezwładności, które opisują prędkość przepływu. Im bardziej lepka substancja i im wolniejszy jest jej przepływ, tym większe prawdopodobieństwo przepływu laminarnego. Przeciwnie, jeśli lepkość płynu jest niska i jego prędkość jest wysoka, wówczas przepływ będzie turbulentny.

Poniżej znajduje się wideo, które wyraźnie wyjaśnia cechy rozważanych sposobów przepływu substancji.

Jak określić tryb przepływu?

W praktyce pytanie to jest bardzo ważne, ponieważ odpowiedź na to pytanie jest związana z osobliwościami przemieszczania się obiektów w płynnym ośrodku oraz z wielkością strat energii.

Przejście pomiędzy laminarnymi i turbulentnymi reżimami przepływu płynu można oszacować za pomocą tak zwanych liczb Reynoldsa. Są to bezwymiarowe ilości i są nazwane imieniem irlandzkiego inżyniera i fizyka Osborne'a Reynoldsa, który pod koniec XIX wieku zaproponował wykorzystanie ich do praktycznego określenia sposobu poruszania się płynącej substancji.

Liczbę Reynoldsa (laminarny i turbulentny przepływ płynu w rurze) można obliczyć za pomocą następującego wzoru: Re = ρ * D * v / μ, gdzie ρ i μ oznaczają gęstość i lepkość substancji, odpowiednio, v jest średnim natężeniem przepływu, D jest średnicą rury. We wzorze licznik odzwierciedla siły bezwładności lub przepływ, a mianownik określa siłę tarcia lub lepkość. Na tej podstawie możemy wywnioskować, że jeśli liczba Reynoldsa dla rozważanego układu jest duża, oznacza to, że płyn przepływa w trybie turbulentnym, i na odwrót, małe liczby Reynoldsa wskazują na istnienie przepływu laminarnego.

Określone wartości liczb Reynoldsa i ich wykorzystanie

Jak wspomniano powyżej, liczba Reynoldsa może być użyta do określenia przepływu laminarnego i turbulentnego. Problem polega na tym, że zależy on od cech systemu, na przykład, jeżeli rura ma nierówności na wewnętrznej powierzchni, wtedy turbulentny przepływ wody w nim rozpocznie się przy niższych natężeniach przepływu niż w płynnym.

Statystyki wielu eksperymentów pokazały, że niezależnie od systemu i natury płynnej substancji, jeśli liczba Reynoldsa jest mniejsza niż 2000, następuje ruch laminarny, jeśli jest większy niż 4000, przepływ staje się turbulentny. Wartości pośrednie liczb (od 2000 do 4000) wskazują na obecność trybu przejściowego.

Określone liczby Reynoldsa są używane do określenia ruchu różnych obiektów technicznych i urządzeń w płynach, do badania przepływu wody przez rury o różnych kształtach, a także odgrywają ważną rolę w badaniu pewnych procesów biologicznych, na przykład ruch drobnoustrojów w ludzkich naczyniach krwionośnych.