Ламинарен и турбулентен флуиден поток: описание, характеристики и интересни факти

19.05.2019

Хидродинамиката е най-важната част от физиката, която изучава законите на движението на течности в зависимост от външните условия. Важен въпрос, който се разглежда в хидродинамиката, е въпросът за определяне на ламинарния и турбулентен поток на течност.

Какво е течност?

За да разберем по-добре въпроса за ламинарния и турбулентния поток на течност, е необходимо да започнем да разглеждаме какво е това вещество.

Течността във физиката е едно от трите агрегативни състояния на материята, което при определени условия е способно да поддържа своя обем, но когато е изложено на минимални тангенциални сили, променя формата си и започва да тече. За разлика от твърдото тяло, в течността няма сили за съпротива срещу външно влияние, които биха се стремили да си възвърнат първоначалната форма. Течността се различава от газовете, тъй като е в състояние да поддържа обема си при постоянно външно налягане и температура.

Параметри, описващи свойствата на течностите

Турбулентен воден поток

Въпросът за ламинарния и турбулентния поток се определя, от една страна, от свойствата на системата, в която се разглежда движението на течността, а от друга страна, от характеристиките на течно вещество. Даваме основните свойства на течности:

  • Плътност. Всяка течност е хомогенна, поради което за своите характеристики използва тази физическа величина, отразяваща количеството маса на флуидното вещество, което пада върху обемната му единица.
  • Вискозитет. Тази стойност характеризира триенето, което възниква между различните слоеве течност при протичането му. Тъй като в течности потенциалната енергия на молекулите е приблизително равна на тяхната кинетична енергия, тя предизвиква наличието на някакъв вискозитет в реалните вещества. Това свойство на течностите е причина за загуба на енергия в хода на техния поток.
  • Свиваемост. При увеличаване на външното налягане всяко течно вещество намалява обема си, но за течности този натиск трябва да бъде достатъчно висок, за да намали леко обема, който заема от тях, затова за повечето практически случаи това агрегиращо състояние се счита за несвиваемо.
  • Повърхностно напрежение. Тази стойност се определя от работата, която трябва да се изразходва, за да се образува единична повърхност на течността. Наличието на повърхностно напрежение, дължащо се на наличието на междумолекулни сили на взаимодействие в течности и определя техните капилярни свойства.

Ламинарен поток

Ламинарен модел на движение

Изследвайки въпроса за турбулентния и ламинарния поток, първо ще разгледаме последното. Ако за течността, която е в тръбата, за да се създаде разлика в налягането в краищата на тази тръба, тя ще започне да тече. Ако потокът на веществото е спокоен и всеки слой от него се движи по гладка траектория, която не пресича линиите на движение на други слоеве, тогава говорим за режим на ламинарен поток. По време на всяка молекула течност се движи по тръба по определен път.

Характеристиките на ламинарния поток са следните:

  • Не съществува смесване между отделните слоеве на течно вещество.
  • Слоевете, които са по-близо до оста на тръбата, се движат с по-голяма скорост от тези, разположени по неговата периферия. Този факт се дължи на наличието на сили на триене между молекулите на течността и вътрешната повърхност на тръбата.

Пример за ламинарен поток са паралелните струи вода, които изтичат от душа. Ако към ламинарния поток се добавят няколко капки боя, можете да видите как те се вкарват в струята, която продължава плавния си поток, без да се смесва с обема на течността.

Турбулентен поток

Турбулентно движение

Този режим е коренно различен от ламинарния. Турбулентният поток е хаотичен поток, в който всяка молекула се движи по произволна траектория, която може да се предскаже само в началния момент от времето. Този режим се характеризира с турбулентност и кръгови движения на малки обеми във флуидния поток. Въпреки това, независимо от случайността на траекториите на отделните молекули, общият поток се движи в определена посока и тази скорост може да се характеризира с определена средна стойност.

Пример за турбулентен поток е водният поток в планинска река. Ако изпуснете боята в такъв поток, ще видите, че в началния момент от време ще се появи струя, която ще започне да изпитва изкривявания и леки извивки, а след това ще изчезне, смесвайки целия обем на течността.

Какво определя потока на течността?

Смесен поток

Режимите на ламинарен или турбулентен поток зависят от съотношението на две величини: вискозитета на флуидното вещество, което определя триенето между флуидните слоеве и инерционните сили, които описват скоростта на потока. Колкото по-вискозно вещество е и колкото по-бавно е дебитът му, толкова по-голяма е вероятността от ламинарен поток. Обратно, ако вискозитетът на флуида е нисък и скоростта му е висока, тогава потокът ще бъде турбулентен.

По-долу е дадено видео, което ясно обяснява характеристиките на разглежданите режими на потока на вещества.

Как да определим режима на потока?

За практиката този въпрос е много важен, тъй като отговорът на него е свързан с особеностите на движението на обекти в течна среда и големината на енергийните загуби.

Преходът между ламинарния и турбулентния режим на флуидния поток може да бъде оценен чрез използване на така наречените числа на Рейнолдс. Те са безразмерно количество и са кръстени на името на ирландския инженер и физик Осборн Рейнолдс, който в края на 19-ти век предложи да ги използват, за да се определи на практика движението на течаща субстанция.

Осборн Рейнолдс

Числото на Рейнолдс (ламинарен и турбулентен поток от флуид в тръба) може да се изчисли по следната формула: Re = ρ * D * v / μ, където ρ и μ са плътността и вискозитета на веществото, съответно, v е средният й дебит, D е диаметърът тръба. Във формулата числителят отразява инерционните сили или потока, а знаменателят определя силата на триене или вискозитета. От това можем да заключим, че ако номерът на Рейнолдс за разглежданата система е голям, това означава, че флуидът тече в турбулентния режим и обратно, малките числа на Рейнолдс показват съществуването на ламинарен поток.

Специфични стойности на числата на Рейнолдс и тяхната употреба

Както бе споменато по-горе, числото на Рейнолдс може да се използва за определяне на ламинарния и турбулентен поток. Проблемът е, че той зависи от характеристиките на системата, например, ако тръбата има неравности по вътрешната си повърхност, тогава турбулентният поток от вода в него ще започне при по-ниски скорости на потока, отколкото в гладка.

Статистиката на много експерименти показа, че независимо от системата и естеството на флуидната субстанция, ако числото на Рейнолдс е по-малко от 2000, тогава става ламинарното движение, а ако е повече от 4000, потокът става турбулентен. Междинните стойности на числата (от 2000 до 4000) показват наличието на преходен режим.

Въздушни турбулентни потоци

Посочените числа на Рейнолдс се използват за определяне на движението на различни технически обекти и устройства във флуиди, за изследване на потока на вода през тръби с различни форми и също така играят важна роля при изучаването на някои биологични процеси, например движението на микроорганизми в човешките кръвоносни съдове.