Зонд Піто Superprof

12 червня 2019 р., 9 хвилин читання

Ламінарний потік

Залежно від різних параметрів, таких як в'язкість рідини та енергія, яка штовхає рідину до потоку, може бути різний тип потоку: існує ламінарний потік, потік Пуазейля, потік Стока та багато іншого. Обов’язково знайте, як мінімум, їх відповідне визначення.

Загальні

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.

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.

Ламінарний потік з мікроскопічної точки зору

Завжди цікаво довести до відображення мікроскопічну точку зору. дійсно, хоча з макроскопічної точки зору нічого не бачиться, у світі дуже малого може статися багато чого.

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.

Ламінарний потік з макроскопічної точки зору

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.

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.

Ламінарний потік у випадку профільованого тіла в повітрі

Деякі машини, але особливо літаки, профільовані, щоб легко входити в повітря. Дійсно, це забезпечує аеродинаміку, а також стійкість на дорозі, що забезпечує необхідну безпеку та комфорт у певних випадках.

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.

Закон Пуазейля

Закон Пуазейля, який також називають законом Гаген-Пуазейля, дозволяє описати те, що називається ламінарним потоком, тобто потоком у вигляді паралельних потоків рідини, в'язкої рідини в циліндричній трубі. Ми логічно називаємо потік Пуазейля будь-яким потоком, який слідує закону Пуазейля.

Загалом закон Пуазейля дозволяє теоретично описати залежність між швидкістю потоку та в'язкістю рідини, але також різницею тисків на кінцях труби, а також довжиною та радіусом. цього ж трубопроводу.

В'язкість

Не всі машини працюють на одному і тому ж маслі, оскільки вони мають різну в'язкість. Тому вони пристосовані відповідно до двигунів, їх обмежень та температур. Але ви також повинні пам’ятати про адаптацію нафти, коли ви їдете в дуже спекотну або дуже холодну країну. Масло, яке в’язке, як вода, або тверде як камінь, не допоможе вам розпочати !

В’язкістю ми називаємо всі явища опору течії, які можуть виникати в масі матеріалу у випадку потоку, який вважається рівномірним і без турбулентності. Логічно, що чим вища в'язкість, тим більше здатність рідини легко текти зменшиться. Крім того, коли в'язкість висока, енергія, яка буде розсіюватися потоком, буде значною.

Зсувна в'язкість, яку можна розуміти як опір потоку різних шарів рідини один над іншим, охоплює кілька фізичних величин, які дозволяють її охарактеризувати:

Динамічна в’язкість, яка є найбільш часто використовуваною величиною. Насправді ми, як правило, маємо на увазі цю величину, коли говоримо про невизначену в’язкість. Це дозволяє встановити зв'язок між напругою зсуву та поперечним градієнтом швидкості потоку в матеріалі. Ось чому ми називаємо цю величину динамічною швидкістю.
Кінематична в'язкість, ця величина може бути виведена з динамічної швидкості;
Друга в'язкість, яка характеризує стійкість рідини до змін обсягу;
І, нарешті, об'ємна в'язкість, яка відповідає поєднанню динамічної в'язкості та другої в'язкості.

Отже, ми можемо розглядати в’язкість як відповідну тензорній величині, хоча залишається можливим, що, залежно від випадку, ми можемо виразити цю величину у вигляді скалярної величини.

В'язкість (зсув) можна розглядати як опір потоку різних шарів рідини один на одного. Кілька фізичних величин характеризують в'язкість:

Що стосується рідин, то в той час як для газів вірно навпаки, в'язкість, як правило, має тенденцію до зменшення із збільшенням температури. Більше того, вважати, що в’язкість даної рідини зростає зі збільшенням щільності, є неправильним, оскільки це не обов’язково є правдою. Ми справді можемо взяти приклад нафти, яка, хоч і менш щільна, ніж вода (0,92 для ріпакової олії при 20 ° C і 1 для води при 20 ° C), тоді як олія значно в'язкіша за воду.

Що стосується механічних масел, то вони класифікуються відповідно до їх в'язкості, оскільки масло, що використовується в двигунах, буде змінюватися залежно від необхідності змащення цього, але також залежно від температури, на яку буде піддаватися механічне масло під час роботи двигуна.

В'язкість може змінюватися

Як пояснювалося раніше, в'язкість рідини змінюється залежно від температури, а також механічних впливів, яким ця рідина піддається. Таким чином, для того, щоб визначити важливість впливу температури на в'язкість рідини, буде використовуватися індекс, який називається індексом в'язкості. Логічно, що чим вище цей показник, тим менше температура буде впливати на в'язкість досліджуваної рідини.

Динамічна в'язкість

Потім динамічну в'язкість можна визначити, розглянувши два шари рідини, які називатимуть abcd та abbcd, знаючи, що шар abcd рухається зі швидкістю відносно abbc d. позначатиме dv, яке буде спрямоване вздовж x. Ми також розглядаємо силу тертя, зазначену F, як діючу на шар a'b'c'd ', відокремлений від dz.

Таким чином, динамічна в'язкість, яку зазначається η або µ, присутня у співвідношенні між нормою сили тертя F та швидкістю зсуву dv/dz. Тоді ми отримуємо:

з S, що відповідає площі кожного шару рідини.

Таким чином, розмірний аналіз динамічної в'язкості логічно дає:

Якщо ви хочете використовувати одиниці міжнародної системи одиниць, динамічна в'язкість має паскаль секунди, зазначається Па.с, в одиницях. Раніше ми використовували пуазейль, зазначив Pl, який мав таке саме значення, як секунди паскалів.

Стара одиниця системи CGS для динамічної в'язкості була врівноваженою, зазначив По, тому відповідність була:

Таким чином, в'язкість води при 20 ° C відповідає 1 сантипуазу, позначеному cPo, що відповідає 1 мПа.с.

Плавкість

Рідкість - це обернена динамічна в'язкість

Кінематична в'язкість

Отримати кінематичну в'язкість, зазначену ν, можна поділивши динамічну дискотичність на щільність рідини, зазначену ρ. Тоді ми отримуємо таке співвідношення:

Його одиниця, квадратний метр в секунду, позначається n².s -1, що відповідає, у старій системі CGS, як стоки або сантистоки, що позначаються відповідно St і cSt.

Перетворення відбувається дуже швидко, оскільки:

Друга в'язкість

Друга в'язкість відповідає другому скалярному параметру, що дозволяє повною мірою характеризувати рідину, яка вважається ньютонівською.

Однак це опущено в літературі, оскільки для більшості поширених рідин характеристика рідин щодо їх ньютонівського наближення відсутня.

Об’ємна в’язкість

Об'ємна в'язкість відповідає лінійній функції основної та другої в'язкості.

Подовжуюча в'язкість

Ми розглядаємо подовжувальну в'язкість як в'язкість, яка з'являється, коли до досліджуваної рідини прикладається подовжувальне напруження.

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.

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.

Вправа: трубка Піто в літаках

Трубка Піто - це дуже простий зонд, але важливий для безпеки всіх літаків, оскільки дає вимірювання швидкості v повітря відносно літака. На наведеній вище схемі показана частина трубки, звернена до потоку. Манометр диференціального тиску дозволяє вимірювати p (A) -p (B). Ми нехтуємо силою тяжіння.

Обґрунтуйте, що швидкість повітря в точці B мало чим відрізняється від v.
Обґрунтуйте, що швидкість повітря в А дорівнює нулю.
Потім виведіть зв’язок між різницею тисків між точками А і В і v.
Обчисліть різницю тиску, виміряну, якщо v = 300 км/год. Прокоментуйте.

Вам сподобалась стаття ?

Фрілансер та студент наук про життя та Землю, я трохи старша сестра, яка підтримує та допомагає іншим спостерігати та розуміти навколишній світ та його цікаві таємниці !