Падіння тиску в потоці рідини Superprof
2 липня 2019 р., 8 хвилин читання
Принципи потоку
Ламінарний потік
Коли ми говоримо про ламінарний потік в механіці рідини, ми викликаємо режим потоку рідини в тому випадку, коли вся рідина тече більш-менш в одному напрямку і що без локальних відмінностей не засмучується. Тоді ми в опозиції до турбулентного режиму, під час якого потік створює вихори, які будуть взаємно суперечити один одному.
Завдяки вивченню ламінарного потоку ми можемо передбачити поведінку рідин у трубах.
Таким чином, коли хтось прагне циркулювати рідину в трубі, він прагне створити ламінарний потік, щоб було менше перепаду тиску. Але ми також намагаємося налаштувати ламінарний потік, коли хочемо змусити літак літати так, щоб політ був стабільним та передбачуваним за допомогою рівнянь.
Коли ми спостерігаємо ламінарний потік у мікроскопічному масштабі, ми можемо спостерігати, що дві частинки рідин, які сусідять у визначений момент, залишаться близькими протягом наступних моментів спостереження. З цього спостереження ми можемо описати поле швидкості за допомогою класичних методів математичного аналізу.
Якщо потік стає турбулентним, він стає без видимої організації. Класичних методів математичного аналізу, які використовувались раніше, вже недостатньо для опису поля швидкості.
Подібно до поняття турбулентного режиму, поняття ламінарного режиму дуже сильно пов'язане з в'язкістю рухомої рідини. Дійсно, коли рідина розташована в трубі або навколо перешкоди, тоді, поблизу стіни, на якій відносна швидкість рідини дорівнює нулю, ми можемо спостерігати появу сильних коливань швидкості, в межах яких в'язкість залучені.
Точніше, можна сказати, що в’язкий потік характеризується безрозмірним числом, що називається числом Рейнольдса. Потім це число дає можливість виміряти відносну важливість сил інерції, які пов'язані зі швидкістю, і сил тертя, які пов'язані з в'язкістю.
Таким чином, якщо останні переважні, тоді можна сказати, що тертя, яке виникає між двома шарами рідин, підтримує їх зчеплення: таким чином ми отримуємо ламінарний потік.
У тому випадку, якщо число Рейнольдса збільшується за певний поріг, тоді потік дестабілізується. У цьому випадку може існувати турбулентний режим, який настане після того, як відбудеться перехідна фаза, більш-менш важлива.
Оскільки в'язкість повітря набагато нижча, ніж в'язкість води, ми можемо зробити висновок, що його вплив таким же чином нижчий і обмежується лише областю близько до стіни, в якій ми можемо спостерігати, що швидкість обов'язково змінюється . Потім ця зона ефекту називається прикордонним шаром. Таким чином, коли людина розташована на достатній відстані від стіни, можна помітити, що коливання стають досить малими, так що в'язкістю можна знехтувати. Отже, ми можемо вважати рідину ідеальною, коли вона розташована навколо перешкоди, до якої ми додаємо прикордонний шар.
До цього можна додати, що на передній кромці крила, оскільки відносна швидкість дорівнює нулю, в'язкість не впливає. Ламінарний прикордонний шар з часом стає турбулентним шаром. Однак частина цього шару, розташована близько до стіни, становить ламінарну плівку.
Число Рейнольдса
Число Рейнольдса, зазначене Re, відповідає безрозмірному числу, яке використовується в механіці рідини. Потім ця кількість дає можливість характеризувати потік, зокрема характер його режиму. Таким чином, можна дізнатися, є потік ламінарним, перехідним чи турбулентним.
Турбулентний режим
Термін турбулентність відповідає стану потоку рідини, будь то рідини чи газу, в якій швидкість має вихровий характер. Під цим розуміють наявність завихрень, розмір, місце розташування яких, а також орієнтація постійно змінюватимуться.
За певних умов під час течії може утворитися вихор. Це те, що відбувається, наприклад, у сифоні вашої раковини або вашої ванни.
Турбулентний потік може характеризуватися дуже невпорядкованим зовнішнім виглядом, але також поведінкою, яку буде важко передбачити, та існуванням численних просторових та часових масштабів.
Можна побачити, як цей тип потоку з'являється у тому випадку, коли джерело кінетичної енергії, яке змушує рідину рухатися, є відносно інтенсивним порівняно з силами в'язкості, яким рідина буде протистояти для руху. Тоді ми можемо протиставити цьому потоку ламінарний режим, який є регулярним.
Для вивчення складної поведінки турбулентних потоків необхідно, в більшості випадків, використовувати статистичний маршрут. Справді, отже, ми можемо вважати, що це дослідження є невід’ємною частиною статистичної фізики, щоб перекласти, що під час потоку сили інерції перевищують сили в’язкості.