Три режима движения жидкости - турбулентный, ламинарный и кавитация

09.01.2010 12:51 | Автор: Александр |

(Краткий вариант опубликован в сборнике: 2-ая Международная научная конференция студентов и молодых учёных «Актуальные проблемы современной науки». Самара, 2001, с. 200). Полный вариант опубликован в брошюре "Ноты открытий" . Сборник статей по открывательству за 1997-2003 годы.

В этой статье мы пытаемся найти ответы на вопросы:

«Почему существуют два режима движения жидкости?»

«Сколько существует режимов движения жидкости?»

«В чём причина существования режимов движения жидкости?»

Окончательных ответов на эти и подобные вопросы в современной науке нет. После опытов Рейнольдса в трубе критерием существования ламинарного и турбулентного режимов является число Рейнольдса Re=vh/υ, где v – скорость, h – некий линейный размер (это не глубина), υ – кинематическая вязкость. Пограничное (критическое) значение числа Рейнольдса по данным разных исследователей изменяется от 300 до 3000. Почему она так разнится?

Характерно различие между ламинарным (параллельно струйным) и турбулентным (извилистым) режимами течения жидкостей. Интересно, что тут мы видим аналогию с прямыми и извилистыми руслами.

Причиной образования любой извилистости вообще является разность между тем, что может делать предмет, и тем, что заставляют его делать [1]. В русловедении именно разность между транспортирующей способностью потока (тем, что может транспортировать река) и поступлением наносов в реку (тем, что приходится транспортировать реке) является причиной образования различных типов русел. При относительно малом поступлении наносов образуется извилистость, а при относительно большом поступлении наносов – русловая мнгогорукавность [1]. Подробное описание разности, диссимметрии, неравенства как причины физических явлений и процессов можно найти в книге В.В. Митрофанова [2].

Аналогично критерием ламинарного и турбулентного режимов движения жидкостей должна быть такая же разность. Как раз именно так интерпретируют число Рейнольдса Т. Карман на страницах 249-251 и сам Рейнольдс на страницах 185-227 в статьях, опубликованных в сборнике «Проблемы турбулентности» [3]: , где с – скорость молекул, λ – средний путь пробега молекул. Тогда становится ясным физический смысл числа Re. Числитель представляет собой интенсивность движения всего объёма жидкости (что он «может сделать» под действием силы тяжести), а знаменатель – темп теплового движения (чем выше скорость молекул и чем меньше пробег молекул, тем чаще их «тепловые» соударения). Всё укладывается в нашу концепцию образования извилистости.

Число, характеризующее режим движения жидкости, является отношением скорости движения молекул рассматриваемого объёма жидкости к скорости движения самого объёма жидкости в целом. При равенстве скоростей наблюдается ламинарное движение жидкости, а при превышении местных скоростей по сравнению с переносной стройность рядов нарушается, задние обгоняют передних, получается много лишней суеты, а жидкость двигается турбулентным режимом.

В русловедении [1] было два коренным образом отличающихся варианта типов русел с промежуточным средним: в одну сторону от прямых русел у нас были извилистые русла, а в другую – русловая многорукавность. Там наблюдались две противоположности: и превышение транспортирующей способностью над поступлением наносов, что приводило к образованию извилистости, и, наоборот, превышение поступления наносов над транспортирующей способностью, что приводит к образованию русловой многорукавности.

А режимы движения жидкости признаются только прямые и извилистые:

Почему нет обратного эксперимента – некоего разрежённого потока при противоположном от турбулентного режима значении числа Рейнольдса? На самом деле такое обратное явление есть.

Обратный эффект к турбулентности называется кавитация. При кавитации в толще жидкости появляются пустоты. Это поток, который ещё «ламинарнее» ламинарного потока! Другое дело, что для нас кавитация ассоциируется с нестационарностями и даже разрушениями гидротехнических конструкций. Дело в том, что в тот момент, когда жидкость находится в состоянии кавитации, – она действительно «ламинарнее» ламинарного, а когда далее она выходит из того места, где были условия для такого режима движения жидкости, она уже в другом месте и производит разрушения при переходе к другим режимам жидкости, схлопывая пузырьки. Виновата не сама кавитация, а процесс перехода от кавитации к другим режимам движения жидкости.

Итак, существуют три режима движения жидкости: турбулентный, ламинарный и кавитация.

Качественное различие между этими режимами заключается в отношении скорости движения молекул жидкости к скорости движения всего объёма жидкости.

При равенстве этих скоростей (то есть когда скорость движения каждого солдата равна скорости движения всей колонны) имеем ламинарный режим движения жидкости.

В случае если скорость движения молекул больше, чем скорость движения всего объёма жидкости (то есть Моськи понапрасну и много бегают вокруг Слона) имеем турбулентный режим жидкости.

В обратном случае, когда скорость движения молекул меньше, чем скорость движения всего объёма жидкости (передовые колонны устремились вперёд, а остальные тянутся позади), жидкости приходится разрывать межмолекулярные связи, образуются внутриводные полости-разрывы, имеем кавитационный режим движения жидкости.

А почему же критические значения числа Re (соответствующие переходу между ламинарным и турбулентным режимами жидкости) приводятся разные?

Надо отметить 3 факта: 1) эксперименты по его выявлению проводятся в трубах (а, не, например, в лотках); 2) вместо характерного расстояния h вводят диаметр трубы d, это неправомерно, но 3) связь с диаметром вместо h в числителе действительно прослеживается.

Эксперименты в трубах наводят на мысль об ограничивающих условиях (аналогично ограничивающей сущности относительной ширины поймы для формирования русел рек). То есть в одном числе Re скрыты на самом деле 2 фактора: первый – активный. И второй – относительная теснота трубы, что-то типа d/h, но он проявляется только тогда, когда диаметр трубы d меньше характерного линейного размера h, то есть он пассивный. Его проявление заключается в том, что в тесных трубах, когда, судя по «настоящему» активному фактору (где h, а не диаметр d), уже вроде бы должен быть турбулентный режим, но h

Пусть с·λ=const, тогда можно построить такой график, представляющий собой гиперболу в поле скорости потока (v) и характерной длины (h). Эта кривая разграничивает ламинарный и турбулентный режимы движения. Всё было бы хорошо, если бы не было ограничивающего условия (относительная теснота трубы). Пусть имеем состояние со скоростью v₁ и характерной длиной h₁. (Оно показано на рис. в виде точки 1). Но если всё это происходит в трубе диаметром d, то такое ограничивающее условие заставляет режим быть ламинарным (точка 2).

Рис. Области ламинарного и турбулентного режима движения жидкостей и влияние диаметра трубы (ограничивающего условия) на изменение режима.

Отсюда можно сделать вывод, что формальное использование числа Рейнольдса не правомерно. В трубах имеется выраженная связь режима движения жидкости с диаметром трубы из-за ограничивающей сущности размера поперечного сечения трубы. Там правомерно использования стандартной формы числа Рейнольдса с произведением скорости и длины в числителе и в знаменателе.

Для потоков с открытой водной поверхностью ограничивающего фактора нет, введение в числитель и знаменатель линейных величин не требуется. Достаточно лишь отношения скоростей частиц жидкости и всей жидкости в целом.

Литература

1. Кондратьев А.Н. Причина образования извилистости: меандрирование рек и других природных потоков // Известия РАН. Серия географическая, 2000, № 4, с. 42-44.

2. Митрофанов В.В. От технологического брака до научного открытия, СПб., Ассоциация ТРИЗ Санкт-Петербурга. 1998, 395 с.

3. Проблемы турбулентности. Сборник переводных статей под ред. М.А. Великанова и Н.Т. Швейковского. М.-Л., ОНТИ, 1936, 332 с.

Поиск по сайту: