層流と乱流。 流体流動様式

液体と気体の流れの性質を研究することは、業界や公共のために非常に重要です。 層状と様々な目的のための水の輸送速度、石油、天然ガスパイプライン上の乱流効果は、他のパラメータに影響を与えます。 これらの問題は、科学の流体力学を行います。

分類

流体流動様式とガスの科学的な環境では2つの非常に異なるクラスに分けられます。

• 層状（インクジェット）。
• 乱。

また、移行段階を区別する。 ちなみに、「液体」という用語は、広い意味を持っている：それは非圧縮性可能（液体が実際にある）、圧縮性（ガス）、導電性、等...

病歴

別のメンデレーエフは、1880年に二つの対向する流動様式の有無の考え方を表しました。 この問題の詳細については1883年に調査を完了したイギリスの物理学者やエンジニアオズボーン・レイノルズ調べました。 ほとんどミックスと平行な経路に沿って移動されていない層（粒子の流れ）まず、実際に、液体輸送の低流量で層状になることが判明した式を用いて。 しかし、一定の臨界値を（異なる条件のためにそれが異なる）乗り越えた後、表題レイノルズ数液流条件が変更された：ジェット流はカオス渦なる - すなわち、乱。 それが判明したように、これらのパラメータは、ある程度の固有かつガスです。

実用的な英語の科学者の計算は、の動作は、例えば、水は、それが流れるタンク（パイプ、チャネル、キャピラリー、等）の形状及び寸法に大きく依存することが示されました。 円形断面を（例えば、圧力配管を取り付けるために使用される）を有するパイプで、そのレイノルズ数-式 臨界状態のは、 次のように記載されている：= 2300 Reを流路開放するために、 レイノルズ数は 異なる：REは順序付けされているために小さな値に再= 900、混沌とした - 大規模で。

層流

層流乱流とは異なり、水の性質及び方向（ガス）が流れます。 これらは混合することなく且つ脈動することなく層を移動させます。 換言すれば、動きが加圧方向と速度に不規則なジャンプすることなく均一に行われます。

層状の流体の流れは、例えば、幅狭に形成され た血管 は非常に粘稠な液体（パイプラインを介して燃料油）の電流で、生物の、植物の毛細管と同等の条件下で。 ジェット流を可視化することは少ないタップを明らかにするのに十分である - 水を混合することなく、均一に、静かに流れます。 最後に栓を外した場合は、システムの圧力が上昇すると流れは混沌となります。

乱流

層状とは異なり、隣接粒子が実質的に平行な経路に沿って移動し、前記流体の乱流が乱れ性質です。 我々はラグランジュアプローチを使用する場合は、粒子の軌跡は、任意に重なって、非常に予期しない動作をすることができます。 これらの条件下で液体と気体の移動は、非定常性が非常に広い範囲を持つことができ、これらのパラメータで、常に一時的なものです。

乱流レジームの進行に層状のガス流として、静止空気中で燃焼する紙巻きタバコの煙の例切れ間によってモニターすることができます。 最初に、粒子が時間的に変化しないほぼ平行な経路を移動します。 煙が固定されたようです。 次いで突然のいくつかの点で完全にランダムに動く大きな渦があります。 これらの渦は、より小さなものに別れる - ようにしても小さく、へ。 最後に、実質的に煙が周囲の空気と混合します。

乱流サイクル

上記の例では、教科書で、そして彼の観察から科学者は次のような結論を行いました。

1. 層流と乱流が本質的に確率論です：別のモードからの移行は、正確に適切な場所ではなく、かなり任意の、ランダムな位置に。
2. まず、煙の切れ間のサイズよりも大きい大渦があります。 動きが不安定と強く異方性になります。 大きな流れが不安定になり、ますます小さいに別れます。 このように、渦の階層があります。 運動エネルギーが小さいために大きなから転送され、このプロセスの終了時に消滅する - エネルギー消費は小さなスケールで発生します。
3. 乱流が不安定である：特定の渦は完全にランダムで、予測不可能な場所にすることができます。
4. 周囲の空気と煙を混在させると、層流の下で行われ、乱流ではありません - 非常に集中的です。
5. 境界条件が静止しているという事実にもかかわらず、乱流そのものが自然の中で顕著トランジェントを持っている - すべてのガスの動的パラメータは、時間の経過とともに変化します。

乱流の別の重要な特性があります：それは常に3次元です。 我々は、パイプまたは2次元境界層における一次元の流れを考慮したとしても、まだ乱流渦の運動は3つの座標軸の方向に起こります。

レイノルズ数：式

薄層からの移行は、いわゆるクリティカルレイノルズ数によって特徴付けられる乱流：

_{= CR（ρuL/μ）再} CR、

ここで、ρ - 密度ストリーム、U - 流量特性。 L -流量特性サイズは、μ -係数 動的粘度、 CR -円形の断面を有するチューブによってために。

例えば、配管Lの速度Uと流体として使用される パイプの直径。 オズボーン・レイノルズ、この場合、2300 <再_CR <20000を示した。スプレッドは、大きさのほぼ順非常に大きいです。

同様の結果は、ウエハ上の境界層で得られます。 特徴的なサイズは、次いで、プレートの前縁からの距離としており、3×10 ⁵ <再_CR <4×10 ^4。 Lは、境界層の厚さは、2700のように定義されている場合、<再_CR <9000。再_CRの値も大きくなり得ることを示した実験的研究があります。

速度摂動の概念

層状乱流体の流れ、従って、レイノルズ数（Re）の臨界値は、多数の因子に依存する。圧力勾配、便宜上等バンプ粗さ、外部フローの乱流強度、差温の高さから、これらの凝集因子は摂動速度と呼ばれ彼らは、流量に一定の影響力を持っているので。 この乱れが小さい場合には、速度場を揃えるために求めている粘性力を決済することができます。 流れの大きな乱れのために不安定になり、そして乱流が発生することができます。

：慣性力と粘性力の比、式でカバー恨みの流れ - レイノルズ数の物理的意味を考えること

再^{=ρuL/μ=ρU2} /（μ×（U / L ））。

分子は、二倍の速度ヘッドと分母である - Lは、境界層の厚さとした場合、値は、摩擦応力の程度です。 動的な圧力が均衡して破壊する傾向があり 、摩擦力が これに反対しています。 なぜしかし、それは不明である 慣性力 、彼らは1000倍以上の粘性力があるときにだけ（または速度圧力）が変化につながります。

計算と事実

おそらく、より便利に再_CR絶対的ではない流速Uを、そして速度摂動特性速度として使用します。 この場合には、臨界レイノルズ数は乱流流体の流れに5回、層流で約10、すなわち動的圧力擾乱を超える粘性応力であろう。 一部の科学者によると再この定義はよく、次の実験的実証済みの事実によって説明されます。

_Crは無限大になる傾向再完全に滑らかな表面上で完全に均一な速度プロファイルは、伝統的に数によって決定されるため、つまり、遷移が実際に乱流が発生します。 ここでレイノルズ数は10に等しい臨界値以下摂動速度の大きさによって決定されます。

人工的な乱流の存在下で、基本的なレートのスプラッシュ率が同等引き起こし、流れ速度の絶対値から求めたRe _CRよりもはるかに低いレイノルズ数_、で乱流となります。 これは、特性速度は、上記の理由に起因する速度の摂動の絶対値である_CR = 10、再係数の使用を可能にします。

パイプラインの層流政権の安定性

層と乱流が種々の条件下で液体および気体のすべてのタイプに共通です。 流れの層状の性質は稀であり、狭い地下ストリーム平野のために、例えば、特徴付けられています。 ずっと、この問題は、パイプラインの水、油、ガスおよび他の流体による輸送のための実用的なアプリケーションのコンテキストにおける科学者の関心事です。

Q層流の安定性は密接に研究に関連しているメインフローの動きを妨げ。 これは、いわゆる小さな摂動によって影響を受けることが判明しました。 彼らが成長するか時間をかけて消えていくかどうかに応じて、基本的な流れは安定または不安定であると考えられています。

圧縮および圧縮できない流体用

層流と乱流の流体の流れに影響を与える要因の一つは、その圧縮性です。 この流体特性は、一次電流の急激な変化と非定常プロセスの安定性の研究において特に重要です。

研究では、円筒部のチューブ内の非圧縮性流体の層流は、時間と空間の比較的小さな軸対称および非軸対称外乱に対して耐性であることを示しています。

最近、計算は、主電流は、2点の座標に依存している円筒形の管の入口部における軸対称流れ抵抗に対する外乱の影響で行われます。 パイプの座標軸は主流管の半径に沿った速度プロファイルに影響を与えるパラメータであると考えられます。

結論

研究の何世紀にもかかわらず、我々は層流と乱流が徹底的に研究していると言うことはできません。 ミクロレベルでの実験的研究は、推論の計算の正当化を必要とする新たな問題を提起します。 水、油、ガスおよび製品のキロメートルの世界で何千：研究の性質は、アプリケーションと使用することです。 輸送中の乱流を低減するために導入された技術ソリューションより長く、より効果的なことになります。