Критерий перехода ламинарного течения в турбулентное — теория и расчет

Область применения

Практические результаты теоретических исследований предопределяют возможность их использования в двух направлениях:

1.1. Количественный критерий определяет возникновение турбулентности в проточных элементах и их системах и обеспечивает эффективное прогнозирование перехода ламинарного течения к турбулентному с учетом влияния основных конструктивных факторов проточной системы и свойств текучей среды при любом перепаде давления в следующих отраслях техники:

· системы транспортирования текучих сред, включая магистральные газовые и нефтяные трубопроводы, установки для переработки и сжигания нефти и природного газа, пневмо- и гидротранспорт, системы водоснабжения и канализации;

· пневматические, гидравлические и пневмогидравлические системы установок, машин, аппаратов, приборов;

· тепловые машины, энергоустановки, включая: поршневые машины — двигатели внутреннего сгорания, компрессоры, пневмо- и гидромашины, а также газотурбинные агрегаты и двигатели, паросиловые и ядерные энергоустановки, сверхпроводящие энергоустановки и их линии электропередачи, химические аппараты, теплообменники холодильные машины, кондиционеры;

· установки промышленной и гражданской вентиляции;

· биология и медицина — анализ процессов в системах жизнедеятельности человека и животных.

1.2 Новый теоретический подход к проблеме возникновения турбулентности в проточных элементах и их системах для ряда важнейших практических случаев позволил создать методологические предпосылки для интенсивного и плодотворного развития этой области технической физики с целью учета влияния любого сочетания конструктивных, гидродинамических и эксплуатационных факторов на переход ламинарного течения к турбулентному.

Описание

Анализ течения с позиции единства динамики движения твердого тела и текучей среды позволил установить, что явление перехода ламинарного режима течения к турбулентному в проточном элементе, системе есть результат потери продольной упругой устойчивости прямолинейной статической структуры поступательного движения потока. При этом указанная структура течения сменяется изгибно-вихревой динамической структурой поступательного движения потока. Критерий, определяющий описанный переход, включает в себя выражение для числа Рейнольдса как числа локального гидродинамического подобия, но определяет режим течения с обобщенных позиций теории устойчивости по Эйлеру. Новый теоретический подход к проблеме позволил вскрыть многофакторную природу явления перехода ламинарного режима течения к турбулентному и получить первичный физически адекватный инструмент для его количественной оценки.

Основные положения предложенного подхода описаны в неопубликованной монографии
С.Л. Арсеньев, “Сравнительная динамика течений”, 223 с., 1990
и статье
С.Л. Арсеньев, И.Б. Лозовицкий, Ю.П. Сирик, “Критерий стабильности ламинарного режима течения и турбулентность в трубе” / S.L. Arsenjev, I.B. Lozovitski, Y.P. Sirik, “The laminar flow instability criterion and turbulence in pipe”, http://arXiv.org/abs/physics/0303071,19 March 2003.

Преимущества

3.1. Установленный критерий, в отличие от числа Рейнольдса, предполагает необходимость и возможность количественного учета не только диаметра проточного элемента, скорости потока и вязкости текучей среды, но также длины частей и всей проточной системы, характера входа и целого ряда факторов и явлений как присущих каждой конкретной системе истечения, так и действующих на нее извне. Такими факторами являются, в частности:

· плавное или резкое изменение площади сечения проточной системы;

· ламинаризаторы и турбулизаторы потока в проточном элементе и на входе в него;

· относительная жесткость трубопровода;

· наложение колебаний на трубу, на поток в ней и на истекающую струю, демпфирование;

· ускорение трубы под действием внешних сил, проточная система в невесомости;

· относительное увеличение скорости газового потока в трубопроводе с постоянной площадью сечения;

· теплообмен потока со стенкой трубы (с учетом противоположного изменения вязкости жидкости и газа при тепловом воздействии);

· наличие взвесей в потоке текучей среды;

· термохимические и фазовые превращения в потоке текучей среды;

· наличие поверхностно-активных веществ (ПАВ) в потоке текучей среды;

· отвод и подвод дополнительного расхода (вдув-отсос);

· связь турбулентности с циркуляционным движением текучей среды;

· и других факторов, которые могут оказать стабилизирующее или дестабилизирующее влияние на режим течения.

3.2. Возможность учета перечисленных и других факторов в установленном критерии делает его эффективным инструментом для анализа течений, обеспечивает получение физически адекватной и точной информации о характере движения потока текучей среды на стадии проектирования и позволяет существенно сократить стоимость и сроки создания новых более совершенных изделий.

3.3. Новый теоретический подход к проблеме возникновения турбулентности позволяет перейти к интенсивному развитию данного направления технической физики для других практически важных случаев в природе и технике.

Стадия развития

Проведены фундаментальные исследования для обоснования физической адекватности и практической применимости количественного критерия перехода ламинарного режима течения к турбулентному. Установлен критерий перехода для некоторых практических случаев. Подготовлена понятийная и математическая основа для количественного учета любых факторов и явлений, действующих на систему “поток-проточный элемент”.

Поиск по сайту: