Laminarno i turbulentno strujanje fluida: opis, karakteristike i zanimljivosti. Laminarno i turbulentno strujanje vazduha

Pod režimom strujanja fluida podrazumijeva se kinematika i dinamika tečnih makročestica, koje zajedno određuju strukturu i svojstva strujanja u cjelini.

Način kretanja određen je omjerom sila inercije i trenja u strujanju. Štaviše, ove sile uvijek djeluju na tečne makročestice kada se kreću kao dio toka. Iako ovo kretanje može biti uzrokovano raznim vanjskim silama kao što su sila gravitacije i pritiska. Odnos ovih sila odražava , što je kriterijum za režim strujanja fluida.

Pri malim brzinama čestica fluida u struji preovlađuju sile trenja, a Reynoldsovi brojevi su mali. Takav pokret se zove laminarni.

Pri velikim brzinama kretanja čestica fluida u struji, Reynoldsovi brojevi su veliki, tada u strujanju prevladavaju sile inercije i te sile određuju kinematiku i dinamiku čestica, ovaj način se naziva turbulentno

A ako su ove sile istog reda (srazmjerne), onda se takvo područje naziva - interleaving region.

Tip moda u velikoj mjeri utiče na procese koji se odvijaju u toku, a time i na izračunate zavisnosti.

Shema instalacije za ilustraciju režima protoka tekućine prikazana je na slici.

Tečnost iz rezervoara kroz prozirni cevovod kroz slavinu ulazi u odvod. Na ulazu u cijev ugrađena je tanka cijev kroz koju boja ulazi u središnji dio toka.

Ako lagano otvorite slavinu, tekućina će početi teći kroz cjevovod malom brzinom. Uvođenjem sredstva za bojenje u tok, moći će se vidjeti kako trenutni tok sredstva za bojenje u obliku linije teče od početka cijevi do njenog kraja. To ukazuje na slojevit tok tekućine, bez miješanja i formiranja vrtloga, te na prevlast inercijskih sila u toku.

Ovaj režim protoka se zove laminarni.

Laminarni tok - slojevito strujanje fluida bez miješanja čestica, bez pulsiranja brzina i pritisaka, bez miješanja slojeva i vrtloga.

U laminarnom toku strujne linije su paralelne sa osom cijevi, tj. nema kretanja poprečno u odnosu na tok tečnosti.

Turbulentni režim strujanja

S povećanjem protoka kroz cijev u instalaciji koja se razmatra, brzina kretanja čestica tekućine će se povećati. Mlaz tečnosti za bojenje će početi da osciluje.

Ako otvorite ventil više, protok kroz cijev će se povećati.

Protok tekućine za bojenje će se početi miješati s glavnim tokom, bit će uočljive brojne zone formiranja vrtloga i miješanja, u toku će prevladavati sile inercije. Ovaj režim protoka se zove turbulentno.

Turbulentni režim - strujanje praćeno intenzivnim miješanjem, pomicanjem slojeva jedan u odnosu na drugi i fluktuacijama brzina i pritisaka.

Kod turbulentnog strujanja, vektori brzine imaju ne samo aksijalne, već i komponente normalne na osu kanala.

Šta određuje način protoka tečnosti

Režim strujanja zavisi od brzine čestica fluida u cevovodima, geometrije cevovoda.

Kao što je ranije navedeno, način protoka fluida u cjevovodu nam omogućava da prosudimo Reynoldsov kriterij, koji odražava omjer inercijskih sila i sila viskoznog trenja.

• Kod Reidoldsovih brojeva ispod 2300, može se govoriti laminarni kretanje čestica (neki izvori ukazuju na broj 2000)
• Ako je Reynoldsov kriterij veći od 4000, onda je režim protoka turbulentno
• Reidnoldsovi brojevi od 2300 do 4000 ukazuju prelazni mod protok fluida

Ovisno o načinu ventilacije prostorije, uobičajeno je nazvati:

a) turbulentno ventilirane ili prostorije sanejednosmjerno strujanje zraka;

b) prostorije sa laminarnim ili jednosmjernim strujanjem zraka.

Bilješka. Stručnim vokabularom dominiraju termini

„turbulentno protok vazduha, laminarni protok vazduha.

Načini vožnje i air

Postoje dva načina vožnje vazduh : laminarni ? i turbulentno?. Laminar? način rada karakterizira uređeno kretanje čestica zraka duž paralelnih putanja. Mešanje u toku nastaje kao rezultat međusobnog prožimanja molekula. U turbulentnom režimu, kretanje čestica vazduha je haotično, mešanje je posledica međusobnog prožimanja pojedinačnih zapremina vazduha i stoga se dešava mnogo intenzivnije nego u laminarnom režimu.

U stacionarnom laminarnom kretanju, brzina strujanja zraka u tački je konstantna po veličini i smjeru; tokom turbulentnog kretanja, njegova veličina i smjer su promjenjivi u vremenu.

Turbulencija je posljedica vanjskih (unesenih u tok) ili unutrašnjih (generiranih u toku) poremećaja.?. Turbulencija ventilacioni tokovi, po pravilu, unutrašnjeg porekla. Njegov uzrok je stvaranje vrtloga prilikom strujanja oko nepravilnosti?zidova i objekata.

Kriterijum osnivanja? turbulentni režim je Rhea broj?nolds:

R e = ud / h

gdje i je prosječna brzina zraka u u zatvorenom prostoru;

D - hidraulički? prečnik prostorije;

D= 4S/P

S - površina poprečnog presjeka prostorije;

R - perimetar poprečne dio sobe;

v- kinematička?koeficijent viskoznosti vazduha.

Rhea broj? Nolds, iznad kojih je turbulentno kretanje upornjaka?chivo, naziva se kritičnim. Za prostorije jednak je 1000-1500, za glatke cijevi - 2300. In prostorije kretanje vazduha je obično turbulentno; prilikom filtriranja(u čistim prostorijama)moguće kao laminarno?i turbulentno? način rada.

Laminarni uređaji se koriste u čistim prostorijama i služe za distribuciju velikih količina vazduha, obezbeđujući prisustvo posebno dizajniranih plafona, podnih napa i kontrolu pritiska u prostoriji. Pod ovim uslovima, rad distributera laminarnog toka garantovano će obezbediti traženi jednosmerni tok sa paralelnim putevima protoka. Visoka brzina razmene vazduha doprinosi održavanju uslova blizu izotermnih u protoku dovodnog vazduha. Plafoni projektovani za distribuciju vazduha sa velikom razmenom vazduha, zbog velike površine, obezbeđuju malu početnu brzinu strujanja vazduha. Rad odvoda na nivou poda i kontrola sobnog pritiska minimiziraju veličinu zona recirkulacije, a princip "jedan prolaz i jedan izlaz" lako funkcioniše. Suspendirane čestice se pritiskaju na pod i uklanjaju, tako da je rizik od njihove recirkulacije mali.

Određivanje zakona otpora i značenja

Kritični Reynoldsov broj na laminaru

I turbulentni režimi strujanja fluida

Svrha rada i sadržaj rada

Istražiti režime strujanja fluida u cjevovodima, odrediti kritični Reynoldsov broj i karakteristike otpora kretanju fluida kroz cjevovod.

2.2 Kratke teorijske informacije

Vrste režima protoka

U stvarnom toku fluida, kao što pokazuju brojni eksperimenti, moguća su različita strujanja fluida.

1. Laminar(slojevito) protok, u kojem se tečne čestice kreću u svojim slojevima bez miješanja. U ovom slučaju, same čestice unutar sloja imaju rotaciono kretanje (slika 2.1) zbog gradijenta brzine.

Slika 2.1

Kako se brzina protoka fluida povećava, brzina V raste, gradijent brzine , respektivno. Rotacijsko kretanje čestica se povećava, dok se brzina sloja koji je udaljeniji od zida još više povećava (slika 2.2), a brzina slojeva u blizini zida još više opada.

Slika 2.2

Shodno tome, hidromehanički pritisak raste u slojevima uz zid (prema Bernoullijevoj jednačini). Pod uticajem razlike pritiska, rotirajuća čestica će se pomeriti u debljinu jezgra (slika 2.3), formirajući drugi način strujanja fluida - turbulentno strujanje.

Slika 2.3

2. turbulentno strujanje tečnost je praćena intenzivnim mešanjem tečnosti i pulsiranjem brzina i pritisaka (slika 2.4).

Slika 2.4

Njemački naučnik O. Reynolds je 1883. godine dokazao da prijelaz iz laminarnog toka tekućine u turbulentno ovisi o viskoznosti tekućine, njenoj brzini i karakterističnoj veličini (prečniku) cijevi.

Kritična brzina, pri kojem laminarni tok postaje turbulentan, jednak je:

gdje K- univerzalni koeficijent proporcionalnosti (isti je za sve tečnosti i prečnike cevi); d- prečnik cjevovoda.

Ovaj bezdimenzionalni koeficijent je nazvan kritični Reynoldsov broj:

. (2.1)

Kao što pokazuju eksperimenti, za tečnosti . Očigledno broj Re može poslužiti kao kriterij za prosuđivanje načina strujanja fluida u cijevima, tj

at laminarni tok,

tokom turbulentnog strujanja.

Na praksi laminarni strujanje se posmatra tokom strujanja viskoznih tečnosti (u hidrauličkom i uljnom sistemu aviona). turbulentno uočava se protok u vodovodu, u sistemima za gorivo (kerozin, benzin, alkohol).

U hidrauličnim sistemima primećuje se još jedna vrsta protoka tečnosti - kavitacioni režim strujanja. To je kretanje tekućine povezano s promjenom njenog agregacijskog stanja (transformacija u plin, oslobađanje otopljenog zraka i plinova). Ovaj fenomen se uočava kada je lokalna statički pritisak opada do pritiska elastičnosti zasićenih para tečnosti, odnosno at (Slika 2.5)

Slika 2.5

U ovom slučaju, intenzivno isparavanje i oslobađanje zraka i plinova počinje u ovoj tački strujanja. U toku se formiraju gasne šupljine (“cavitas” – šupljina). Ovaj tok fluida se zove kavitacija. kavitacija- opasan fenomen, jer, prvo, dovodi do naglog smanjenja protoka tekućine (i, posljedično, do mogućeg gašenja motora tokom kavitacije u sistemu goriva), i, drugo, mjehurića plina koji djeluju na lopatice pumpe , uništi ih.

U sistemima za gorivo, kavitacija se bori povećanjem pritiska u rezervoarima ili sistemu korišćenjem pumpi za povišenje pritiska i sistema za punjenje rezervoara pod pritiskom. Ovaj fenomen se mora uzeti u obzir prilikom projektovanja i izgradnje hidrauličnih sistema aviona (posebno sistema za gorivo). Činjenica je da su iz više razloga ovi sistemi povezani sa atmosferom (sistem za disanje). Sa porastom na visinu, pritisak iznad površine rezervoara sistema opada, stoga se smanjuje statički pritisak u cevovodima. U kombinaciji s gubicima tlaka pri lokalnim otporima i smanjenjem statičkog tlaka pri velikim brzinama protoka u cjevovodima, postoji opasnost od kavitacijskih pritisaka.

Osnove teorije laminarnog strujanja fluida

u cijevima

Laminarni tok je strogo uređen slojevit tok i poštuje Newtonov zakon trenja:

(2.2)

Zamislite stabilan laminarni tok fluida u okrugloj pravoj cijevi (slika 2.6) koja se nalazi horizontalno ( ). Pošto je cijev cilindrična, i u ovom slučaju Bernulijeva jednačina će imati oblik:

, (2.3)

. (2.4)

U tečnosti (slika 2.6) biramo zapreminu tečnosti sa radijusom r i dužina l. Očigledno je da će konstantnost brzine biti osigurana ako je zbir sila pritiska i trenja koje djeluju na odabranu zapreminu jednak nuli, tj.

. (2.5)

Posmična naprezanja u poprečnom presjeku cijevi mijenjaju se linearno proporcionalno polumjeru (slika 2.6).

Slika 2.6

Izjednačavanjem (2.4) i (2.5) dobijamo:

ili, integrišući iz r= 0 do r = r0, dobijamo zakon raspodjele brzina po poprečnom presjeku okrugle cijevi:

. (2.6)

Protok fluida definisano kao dQ = VdS. Zamjenom u posljednji izraz (2.6) i uzimajući to u obzir dS = 2prdr, nakon integracije dobijamo:

Stoga je brzina protoka fluida u laminarnom toku proporcionalna polumjeru cijevi na četvrtu potenciju.

. (2.8)

Upoređujući (2.6) i (2.8), dobijamo to

. (2.9)

Da bismo odredili gubitak pritiska zbog trenja - , određujemo iz (2.7):

. (2.10)

shodno tome,

(2.11)

ili, zamena m kroz nr i g kroz qr, dobijamo

(2.12)

Dakle, u laminarnom toku u okrugloj cijevi, gubitak poreza na trenje je proporcionalan brzini protoka i viskoznosti fluida, i obrnuto proporcionalan promjeru cijevi na četvrtu potenciju. Što je manji promjer cijevi, veći je gubitak tlaka zbog trenja.

Ranije smo se složili da je gubitak hidrauličkog otpora uvijek proporcionalan kvadratu brzine fluida. Da bismo dobili takvu zavisnost, transformišemo izraz (2.12) u skladu sa tim, uzimajući u obzir to

, a .

Nakon odgovarajućih transformacija dobijamo:

, (2.13)

, (2.14)

Laminarno je strujanje zraka u kojem se zračne struje kreću u istom smjeru i paralelne su jedna s drugom. Kada se brzina poveća na određenu vrijednost, zračna struja curi, osim translacijske brzine, poprima i brzine koje se brzo mijenjaju okomito na smjer translacijskog kretanja. Formira se tok koji se naziva turbulentan, odnosno haotičan.

granični sloj

Granični sloj je sloj u kojem brzina zraka varira od nule do vrijednosti bliske lokalnoj brzini zraka.

Kada strujanje vazduha struji oko tela (slika 5), ​​čestice vazduha ne klize po površini tela, već se usporavaju, a brzina vazduha u blizini površine tela postaje jednaka nuli. Prilikom udaljavanja od površine tijela, brzina zraka raste od nule do brzine strujanja zraka.

Debljina graničnog sloja meri se u milimetrima i zavisi od viskoznosti i pritiska vazduha, od profila tela, stanja njegove površine i položaja tela u struji vazduha. Debljina graničnog sloja postepeno se povećava od prednje do zadnje ivice. U graničnom sloju priroda kretanja čestica zraka razlikuje se od prirode kretanja izvan njega.

Razmotrimo česticu zraka A (slika 6), koja se nalazi između zračnih struja brzina U1 i U2, zbog razlike u ovim brzinama primijenjenim na suprotne tačke čestice, rotira i što je više, to je čestica bliže površine tijela (gdje je razlika najveća brzina). Prilikom udaljavanja od površine tijela, rotacijsko kretanje čestice se usporava i postaje jednako nuli zbog jednakosti brzine strujanja zraka i brzine zraka graničnog sloja.

Iza tijela, granični sloj prelazi u budnicu, koja se zamagljuje i nestaje kako se udaljava od tijela. Turbulencija u tragu udara u rep aviona i smanjuje njegovu efikasnost, uzrokujući podrhtavanje (fenomen buffing).

Granični sloj je podijeljen na laminarni i turbulentni (slika 7). Kod stalnog laminarnog strujanja graničnog sloja, zbog viskoznosti zraka pojavljuju se samo unutrašnje sile trenja, pa je otpor zraka u laminarnom sloju mali.

Rice. 5

Rice. 6 Protok zraka oko tijela - usporavanje strujanja u graničnom sloju

Rice. 7

U turbulentnom graničnom sloju postoji kontinuirano kretanje zračnih struja u svim smjerovima, što zahtijeva više energije za održavanje nasumičnog vrtložnog kretanja i kao rezultat toga stvara se veći otpor strujanja zraka prema tijelu koje se kreće.

Koeficijent Cf se koristi za određivanje prirode graničnog sloja. Tijelo određene konfiguracije ima svoj koeficijent. Tako, na primjer, za ravnu ploču, koeficijent otpora laminarnog graničnog sloja je:

za turbulentni sloj

gdje je Re Reynoldsov broj, koji izražava omjer inercijskih sila prema silama trenja i određuje omjer dvije komponente - otpora profila (otpornosti oblika) i otpora trenja. Reynoldsov broj Re je određen formulom:

gdje je V brzina strujanja zraka,

I - karakter veličine tijela,

kinetički koeficijent viskoznosti sila trenja zraka.

Kada strujanje zraka struji oko tijela u određenoj tački, granični sloj se mijenja iz laminarnog u turbulentan. Ova tačka se zove prelazna tačka. Njegov položaj na površini profila karoserije zavisi od viskoznosti i pritiska vazduha, brzine strujanja vazduha, oblika tela i njegovog položaja u strujanju vazduha, kao i od hrapavosti površine. Prilikom kreiranja profila krila, dizajneri nastoje postaviti ovu točku što je dalje moguće od prednje ivice profila, čime se smanjuje otpor trenja. U tu svrhu koriste se posebni lamelirani profili za povećanje glatkoće površine krila i niz drugih mjera.

Sa povećanjem brzine strujanja zraka ili povećanjem kuta tijela u odnosu na strujanje zraka do određene vrijednosti, u nekom trenutku se granični sloj odvaja od površine, dok se pritisak iza ove tačke naglo smanjuje .

Kao rezultat činjenice da je pritisak na zadnjoj ivici tela veći nego iza tačke razdvajanja, dolazi do obrnutog strujanja vazduha iz zone višeg pritiska u zonu nižeg pritiska do tačke razdvajanja, što podrazumeva odvajanje strujanja vazduha od površine tela (slika 8).

Laminarni granični sloj se lakše odvaja od površine tijela nego turbulentni.

Jednačina kontinuiteta za mlaz zraka

Jednadžba za kontinuitet mlaza zraka (konstantnost strujanja zraka) je jednadžba aerodinamike koja slijedi iz osnovnih zakona fizike - očuvanja mase i inercije - i uspostavlja odnos između gustoće, brzine i površine poprečnog presjeka mlaz vazduha.

Rice. osam

Rice. 9

Prilikom razmatranja prihvata se uslov da ispitivani vazduh nema svojstvo stišljivosti (slika 9).

U mlazu promjenjivog poprečnog presjeka, druga zapremina zraka struji kroz dio I u određenom vremenskom periodu, ta zapremina je jednaka proizvodu brzine strujanja zraka i poprečnog presjeka F.

Drugi maseni protok zraka m jednak je proizvodu drugog protoka zraka i gustine strujanja zraka p mlaza. Prema zakonu održanja energije, masa protoka zraka struje m1 koja protiče kroz dionicu I (F1) jednaka je masi m2 ovog protoka koja teče kroz dionicu II (F2), pod uslovom da je strujanje zraka stabilno :

m1=m2=konst, (1.7)

m1F1V1=m2F2V2=konst. (1.8)

Ovaj izraz se naziva jednačina kontinuiteta mlaza zračne struje struje.

F1V1=F2V2= konst. (1.9)

Dakle, iz formule se može vidjeti da isti volumen zraka prolazi kroz različite dijelove struje u određenoj jedinici vremena (sekundi), ali različitim brzinama.

Zapisujemo jednačinu (1.9) u sljedećem obliku:

Iz formule se može vidjeti da je brzina strujanja zraka u mlazu obrnuto proporcionalna površini poprečnog presjeka mlaza i obrnuto.

Dakle, jednačina kontinuiteta mlaza vazdušnog toka uspostavlja odnos između poprečnog preseka mlaza i brzine, pod uslovom da je strujanje vazduha u mlazu stabilno.

Bernoullijeva jednadžba statičkog pritiska i brzine

aerodinamika aviona

Zrakoplov u stacionarnom ili pokretnom strujanju zraka u odnosu na njega doživljava pritisak od potonjeg, u prvom slučaju (kada je strujanje zraka nepomično) to je statički pritisak, au drugom slučaju (kada se strujanje zraka kreće) dinamički pritisak, često se naziva i brzinski pritisak. Statički pritisak u struji je sličan pritisku tečnosti koja miruje (voda, gas). Na primjer: voda u cijevi, može biti u mirovanju ili u pokretu, u oba slučaja zidovi cijevi su pod pritiskom vode. U slučaju kretanja vode, pritisak će biti nešto manji, jer se pojavio pritisak brzine.

Prema zakonu održanja energije, energija strujanja zraka u različitim dijelovima strujanja zraka je zbir kinetičke energije strujanja, potencijalne energije sila pritiska, unutrašnje energije struje i energije položaja tela. Ovaj iznos je konstantna vrijednost:

Ekin+Ep+Evn+En=const (1.10)

Kinetička energija (Ekin) - sposobnost pokretne struje zraka da obavlja rad. Ona je jednaka

gdje je m masa zraka, kgf s2m; V-brzina strujanja zraka, m/s. Ako umjesto mase m zamijenimo masenu gustinu zraka p, onda ćemo dobiti formulu za određivanje brzine brzine q (u kgf / m2)

Potencijalna energija Ep - sposobnost strujanja vazduha da izvrši rad pod uticajem sila statičkog pritiska. Jednako je (u kgf-m)

gdje je R - tlak zraka, kgf/m2; F je površina poprečnog presjeka filamenta strujanja zraka, m2; S je put koji pređe 1 kg zraka kroz datu dionicu, m; proizvod SF naziva se specifična zapremina i označava se sa v, zamenjujući vrednost specifične zapremine vazduha u formulu (1.13), dobijamo

Unutrašnja energija Evn je sposobnost gasa da izvrši rad kada se njegova temperatura promeni:

gdje je Cv toplinski kapacitet zraka pri konstantnoj zapremini, cal/kg-deg; T-temperatura na Kelvinovoj skali, K; A je termički ekvivalent mehaničkog rada (cal-kg-m).

Iz jednačine se može vidjeti da je unutrašnja energija strujanja zraka direktno proporcionalna njegovoj temperaturi.

Energija položaja En je sposobnost zraka da izvrši rad kada se položaj težišta date zračne mase promijeni kada se podigne na određenu visinu i jednaka je

gdje je h promjena visine, m.

S obzirom na oskudne male vrijednosti razdvajanja težišta zračnih masa po visini u mlazu strujanja zraka, ova energija je u aerodinamici zanemarena.

Uzimajući u obzir sve vrste energije u odnosu na određene uslove, moguće je formulisati Bernoullijev zakon, koji uspostavlja odnos između statičkog pritiska u mlazu strujanja vazduha i pritiska brzine.

Zamislite cijev (slika 10) promjenjivog promjera (1, 2, 3) u kojoj se kreće struja zraka. Manometri se koriste za mjerenje tlaka u dijelovima koji se razmatraju. Analizirajući očitanja mjerača tlaka, možemo zaključiti da najmanji dinamički tlak pokazuje mjerač tlaka odjeljka 3-3. To znači da kada se cijev suzi, brzina protoka zraka se povećava i tlak opada.

Rice. deset

Razlog za pad tlaka je taj što strujanje zraka ne proizvodi nikakav rad (trenje se ne uzima u obzir) i stoga ukupna energija strujanja zraka ostaje konstantna. Ako smatramo da su temperatura, gustina i zapremina strujanja vazduha u različitim delovima konstantne (T1=T2=T3; p1=p2=p3, V1=V2=V3), unutrašnja energija se može zanemariti.

To znači da je u ovom slučaju moguć prijelaz kinetičke energije strujanja zraka u potencijalnu energiju i obrnuto.

Kada se brzina protoka zraka povećava, tada se povećava brzina i, shodno tome, kinetička energija ovog strujanja zraka.

Vrijednosti iz formula (1.11), (1.12), (1.13), (1.14), (1.15) zamjenjujemo u formulu (1.10), vodeći računa da zanemarujemo unutrašnju energiju i energiju položaja, transformirajući jednadžbu (1.10). ), dobijamo

Ova jednadžba za bilo koji dio mlaznice zraka je napisana na sljedeći način:

Ova vrsta jednadžbe je najjednostavnija matematička Bernoullijeva jednačina i pokazuje da je zbir statičkih i dinamičkih pritisaka za bilo koji dio struje stalnog strujanja zraka konstantna vrijednost. Kompresibilnost se u ovom slučaju ne uzima u obzir. Odgovarajuće korekcije se vrše kada se uzme u obzir kompresibilnost.

Radi jasnoće Bernoullijevog zakona, možete provesti eksperiment. Uzmite dva lista papira, držeći ih paralelno jedan s drugim na maloj udaljenosti, dunite u razmak između njih.

Rice. jedanaest

Listovi su sve bliže. Razlog njihove konvergencije je taj što je na vanjskoj strani listova tlak atmosferski, au procjepu između njih, zbog prisustva brzog zračnog tlaka, tlak se smanjio i postao manji od atmosferskog. Pod uticajem razlike pritisaka, listovi papira se savijaju prema unutra.

aerotunela

Eksperimentalna postavka za proučavanje pojava i procesa koji prate strujanje plina oko tijela naziva se aerotunel. Princip rada aerotunela zasniva se na principu Galilejeve relativnosti: umjesto kretanja tijela u stacionarnom mediju, proučava se strujanje plina oko nepokretnog tijela.U aerodinamičkim tunelima djeluju aerodinamičke sile na eksperimentalno se određuju letjelica i momenti, proučavaju se distribucije tlaka i temperature po njegovoj površini, promatra se obrazac strujanja oko tijela, proučava se aeroelastičnost itd.

Aerotuneli u zavisnosti od opsega Mahovih brojeva M dijele se na podzvučne (M=0,15-0,7), transzvučne (M=0,7-13), nadzvučne (M=1,3-5) i hipersonične (M= 5-25), prema principu rada - u kompresorske prostorije (kontinuirani rad), u kojima se strujanje zraka stvara posebnim kompresorom, i balonske sa povećanim pritiskom, prema rasporedu kruga - u zatvorene i otvorene.

Kompresorske cijevi imaju visoku učinkovitost, jednostavne su za korištenje, ali zahtijevaju stvaranje jedinstvenih kompresora s velikim protokom plina i velikom snagom. Balon aerotuneli su manje ekonomični od kompresorskih aerotunela, jer se dio energije gubi kada se gas priguši. Osim toga, trajanje rada balon aerotunela ograničeno je dovodom plina u cilindre i kreće se od nekoliko desetina sekundi do nekoliko minuta za različite aerotunele.

Široka distribucija balon aerotunela je zbog činjenice da su jednostavnijeg dizajna i da je snaga kompresora potrebna za punjenje balona relativno mala. U aerotunelima sa zatvorenom petljom koristi se značajan dio kinetičke energije koji ostaje u struji plina nakon njegovog prolaska kroz radno područje, čime se povećava efikasnost aerotunela. U ovom slučaju, međutim, potrebno je povećati ukupne dimenzije instalacije.

U podzvučnim aerotunelima proučavaju se aerodinamičke karakteristike podzvučnih helikoptera, kao i karakteristike nadzvučnih aviona u režimima poletanja i sletanja. Osim toga, koriste se za proučavanje strujanja oko automobila i drugih kopnenih vozila, zgrada, spomenika, mostova i drugih objekata.Slika 1 prikazuje dijagram zatvorenog podzvučnog aerotunela.

Rice. 12

1 - saće 2 - rešetke 3 - predkomora 4 - konfuzer 5 - smjer strujanja 6 - radni dio sa modelom 7 - difuzor, 8 - koljeno sa rotirajućim lopaticama, 9 - kompresor 10 - hladnjak zraka

Rice. 13

1 - saće 2 - sita 3 - predkomora 4 konfuzer 5 perforirani radni dio sa modelom 6 ejektor 7 difuzor 8 koleno sa lopaticama 9 izlaz zraka 10 - dovod zraka iz cilindara

Rice. četrnaest

1 - cilindar sa komprimovanim vazduhom 2 - cevovod 3 - regulacioni gas 4 - rešetke za nivelisanje 5 - saće 6 - deturbulentne rešetke 7 - predkomora 8 - konfuzor 9 - nadzvučna mlaznica 10 - radni deo sa modelom 11 - nadzvučni difuzor 12 - podzvučni difuzor ispuštaju u atmosferu

Rice. petnaest

1 - cilindar sa visokim pritiskom 2 - cevovod 3 - regulacioni gas 4 - grejač 5 - predkomora sa saćem i rešetkama 6 - hipersonična osovina simetrična mlaznica 7 - radni deo sa modelom 8 - hipersonični osno simetrični difuzor 9 - hladnjak vazduha 10 - smer strujanja 11 - vazduh dovod u ejektore 12 - ejektori 13 - zatvarači 14 - vakuum posuda 15 - podzvučni difuzor

Fotografija laminarnog toka

laminarni tok- mirno strujanje tečnosti ili gasa bez mešanja. Tečnost ili gas se kreću u slojevima koji klize jedan prema drugom. Kako se brzina slojeva povećava, ili kako se viskozitet fluida smanjuje, laminarni tok postaje turbulentan. Za svaku tečnost ili gas, ova tačka se javlja na određenom Reynoldsovom broju.

Opis

Laminarna strujanja se uočavaju ili u vrlo viskoznim tečnostima, ili u strujanjima koja se javljaju pri dovoljno malim brzinama, kao iu slučaju sporog strujanja fluida oko malih tela. Konkretno, laminarni tokovi se odvijaju u uskim (kapilarnim) cijevima, u sloju maziva u ležajevima, u tankom graničnom sloju koji nastaje blizu površine tijela kada tečnost ili plin struji oko njih, itd. Sa povećanjem brzine ove tečnosti, laminarni tok može jednog trenutka preći u neuređeni turbulentni tok. U ovom slučaju, sila otpora na kretanje naglo se mijenja. Režim protoka fluida karakteriše takozvani Reynoldsov broj (Re).

Kada vrijednost Re manje od određenog kritičnog broja Re kp , dolazi do laminarnog strujanja fluida; ako je Re > Re kp, režim strujanja može postati turbulentan. Vrijednost Re cr ovisi o vrsti protoka koji se razmatra. Dakle, za protok u okruglim cijevima, Recr ≈ 2200 (ako je karakteristična brzina prosječna brzina poprečnog presjeka, a karakteristična veličina je prečnik cijevi). Dakle, za Re kp< 2200 течение жидкости в трубе будет ламинарным.

Distribucija brzine

Profil usrednjavanja brzine:
a - laminarni tok
b - turbulentno strujanje

Kod laminarnog strujanja u beskonačno dugoj cijevi, brzina u bilo kojem dijelu cijevi mijenja se prema zakonu V-V 0 ( 1 - r 2 /a 2 ), gdje a - radijus cijevi, r - udaljenost od ose, V 0 \u003d 2V sr - aksijalna (numerički maksimalna) brzina protoka; odgovarajući parabolički profil brzine je prikazan na sl. a.

Napon trenja varira duž radijusa prema linearnom zakonu τ=τ w r/a gdje τ w = 4μVav/a - naprezanje trenjem o zid cijevi.

Da bi se savladale sile viskoznog trenja u cijevi tijekom ravnomjernog kretanja, mora postojati uzdužni pad tlaka, obično izražen jednakošću P1-P2 = λ(l/d)ρV cf 2 /2 gdje P1 i P2 - pritisak u k.-n. dva poprečna preseka na udaljenosti l jedno od drugog λ - koeficijent otpor u zavisnosti od Re za laminarni tok λ = 64/Re .