¿Qué es el flujo en franjas? ¡Se trata de flujo de fluidos! ¡Descripción detallada con precisión!
Debe ser flujo turbulento. Flujo turbulento El flujo turbulento es un término de la mecánica de fluidos que se refiere a un estado desordenado en el proceso de cambio de un fluido de un estado estable a otro. Específicamente, significa que cuando el fluido fluye, la fuerza de inercia entre las partículas juega un papel dominante y las partículas del fluido fluyen de manera irregular.
El flujo turbulento es generalmente relativo al "flujo laminar". Generalmente determinado por el número de Reynolds. El pequeño número de Reynolds significa que la fuerza viscosa entre las partículas juega un papel dominante cuando el fluido fluye. Las partículas del fluido fluyen regularmente paralelas a la pared interna de la tubería, mostrando un estado de flujo laminar. Un número de Reynolds grande significa que domina la fuerza de inercia y el fluido está en un estado de flujo turbulento. Generalmente, un número de Reynolds de tubería Re<2000 es un estado de flujo laminar, Re>4000 es un estado de flujo turbulento y Re=2000~4000 es. un estado de transición. Las reglas de movimiento del fluido bajo diferentes condiciones de flujo. La distribución de la velocidad del flujo es diferente, por lo que la relación entre la velocidad promedio del flujo y la velocidad máxima del flujo del fluido en la tubería también es diferente. Por tanto, el número de Reynolds determina las características de flujo de los fluidos viscosos.
El movimiento de un fluido en el que cantidades físicas como la velocidad y la presión pulsan en el tiempo y el espacio también se llama turbulencia. Las principales características del flujo turbulento
son: ①El movimiento de las partículas de fluido es extremadamente irregular y los valores de varios parámetros de flujo en el campo de flujo tienen fenómenos pulsantes. ②Debido a la rápida mezcla de pulsaciones, la velocidad de difusión del momento, la energía, la temperatura y la concentración del contenido del fluido es mayor que la del flujo laminar. ③ El flujo turbulento tiene movimiento de vórtice y tiene características tridimensionales.
En 1883, O. Reynold publicó su artículo sobre la observación de regímenes de flujo laminar y turbulento, y en 1894 derivó la ecuación básica del flujo promediado en el tiempo
del flujo de cable— — Fórmula Renault. Desde la década de 1920, se han desarrollado varias teorías semiempíricas y varios modelos de turbulencia para analizar cuantitativamente los problemas de turbulencia. Desde la década de 1930 se desarrolló la teoría estadística de la turbulencia, especialmente la teoría de la turbulencia isotrópica uniforme de G.I. Taylor; en la década de 1940, A.H. Kolmogorov de la Unión Soviética propuso la teoría de la isotropía local. En la década de 1950, Zhou Peiyuan de China propuso una teoría de la estructura de vórtice para el flujo turbulento isotrópico uniforme; al mismo tiempo, la investigación experimental sobre el flujo turbulento permitió a las personas comprender mejor la naturaleza del flujo turbulento. Después de la década de 1960, el uso de tecnologías de medición como el método de la burbuja de hidrógeno y la fotografía de alta velocidad reveló aún más el mecanismo del flujo turbulento; la aplicación de computadoras electrónicas también simplificó el procesamiento de los datos de medición, comprendiendo así la turbulencia.
Tenemos un profundo conocimiento del origen de p>y de la estructura interna del flujo turbulento. Se propone una imagen del fenómeno de explosión para el origen de la turbulencia en las paredes. Sin embargo, desde un punto de vista práctico, todavía no existe una teoría de la turbulencia relativamente madura y muchos problemas técnicos básicos no pueden resolverse completamente mediante una fórmula semiempírica.
La turbulencia se puede dividir según sus características de flujo: ① La turbulencia uniforme isotrópica es un modelo de turbulencia hipotético y sus características de turbulencia
(como la intensidad de la turbulencia) son las mismas en todos los puntos. en el espacio (uniformidad) y lo mismo en todas las direcciones (isotropía). En este tipo de flujo turbulento, no hay gradiente de velocidad y, por lo tanto, no hay esfuerzo cortante. La turbulencia isotrópica local es un modelo de turbulencia que sólo considera isotrópicos los vórtices de pequeña escala. ② La turbulencia cortante se refiere al flujo turbulento con un gradiente de velocidad de flujo promediado en el tiempo y, por lo tanto, un esfuerzo cortante. Se puede dividir en turbulencia libre (el desarrollo de turbulencia no está restringido por la pared sólida) y flujo de pared (el gradiente de velocidad es causado). por paredes sólidas).
El estudio de la turbulencia se puede realizar tanto desde el aspecto teórico como experimental.
Teoría de la turbulencia: El problema de la estabilidad del flujo laminar y las características de turbulencia completamente desarrolladas son contenidos importantes en la teoría de la turbulencia.
Problema de estabilidad del flujo laminar El flujo laminar tiene una cierta capacidad para suprimir diversas perturbaciones externas. Esta capacidad se llama estabilidad del flujo.
Estabilidad. La inercia del fluido expande la perturbación, pero la viscosidad del fluido la suprime, por lo que la estabilidad del flujo se debilita a medida que aumenta el número de Reynolds. El número de Reynolds a partir del cual el flujo laminar comienza a transformarse en flujo turbulento se denomina número de Reynolds crítico. El método de pequeñas perturbaciones es una teoría importante para analizar la estabilidad del flujo
. En la mayoría de los casos, la perturbación en el flujo de corte de la pared aumenta gradualmente, desestabilizando el flujo y formando puntos de flujo turbulento, y finalmente formando un flujo turbulento.
Ecuaciones básicas de flujo turbulento Para el estudio de las características de flujo turbulento completamente desarrolladas, la mayoría de los estudiosos todavía parten de las ecuaciones de Navier-Stokes
y expresan cada cantidad en la fórmula Se convierte en la suma de la cantidad promediada en el tiempo y la cantidad pulsante (ver ecuación de Reynolds). Después de tomar el promedio de tiempo de esta ecuación, podemos obtener (1)
En la actualidad, una es utilizar la teoría semiempírica para establecer la relación entre la tensión de Reynolds y la velocidad del flujo promediada en el tiempo sin aumentar el número de ecuaciones básicas y la otra es establecer una nueva teoría de la turbulencia. El modelo de flujo aumenta el número de ecuaciones y; hace que el sistema de ecuaciones sea cerrado.
Teoría semiempírica de la turbulencia La teoría semiempírica más antigua es el concepto del coeficiente de viscosidad de la turbulencia y la teoría del modelo de viscosidad turbulenta propuesta por J.V. Buseniesk en 1877. En 1925, L. Prandtl propuso la teoría de la longitud de mezcla. Creía que la masa turbulenta tenía que viajar una cierta distancia antes de mezclarse con el fluido circundante y perder sus características originales. Dentro de esta distancia, la masa mantenía sus características originales.
A esta distancia la llamó longitud de mezcla l. Supuestos:
(2)
En la fórmula, U' es la velocidad del flujo pulsante; u es la velocidad del flujo promediada en el tiempo. Los subíndices i y j representan dos direcciones que son; perpendiculares entre sí, entonces
p>(3)
Supongamos que en flujo turbulento libre, l es una constante en la sección transversal y es proporcional a la longitud de mezcla del sección en cuestión. En el flujo turbulento de la pared, l = kxj, donde xj es la distancia normal desde la pared y k se llama constante de Karman. Cuando k≈0,4, los resultados teóricos son consistentes con los resultados reales.
Los datos medidos. de acuerdo bien. En 1915, G.I. Taylor propuso la teoría de la transferencia de vórtice. El punto principal es tratar el vórtice como una estrella transmisible. Bajo la acción del flujo pulsante, la masa de fluido con el vórtice debe viajar una cierta distancia. /p>
Y dentro de esta distancia lw, la vorticidad es constante; la expresión de tensión de Reynolds que obtuvo es
(4)
Generalmente, lw= KnXj, y mediciones reales. Demuestre que k≈0.2 es aceptable.
En 1930, T. von Karman propuso la hipótesis de la similitud local de la turbulencia. Supuso que: excepto en la zona cercana a la pared, el mecanismo de la turbulencia no tiene nada que ver con la viscosidad del fluido. En un sentido estadístico, los rangos locales cerca de cada punto en el campo de velocidad del flujo pulsante son similares entre sí, y sólo difieren en escalas de longitud y tiempo. A partir de estos dos puntos, concluyó que la teoría estadística de la turbulencia larga mixta no solo se puede utilizar para estudiar la turbulencia basada en la ecuación de Navier-Stokes, sino que también se puede utilizar para abordar fenómenos aleatorios.
Xiang Método estadístico para estudiar la turbulencia. G.I. Taylor fue el primero en aplicar este método en 1921, propuso el concepto relacionado de velocidad de flujo pulsante en diferentes momentos en el mismo punto espacial, y lo llamó correlación o autocorrelación lagrangiana. En 1935, propuso el concepto de correlación entre velocidades de flujo pulsante en diferentes puntos espaciales al mismo tiempo, también llamada correlación de Euler o correlación cruzada. Los dos coeficientes de correlación se expresan de la siguiente manera: De
Coeficiente de correlación
En la fórmula, i y j pueden ser dos direcciones diferentes en el mismo punto, o pueden ser dos en diferentes puntos. Diferentes direcciones o la misma dirección.
Además de la correlación de segundo orden mencionada anteriormente entre la velocidad del flujo pulsante, también existe la correlación entre la velocidad del flujo pulsante y la presión pulsante y la
correlación de tercer orden entre la velocidad del flujo pulsante y la presión pulsante. velocidad del flujo, etc. Realizar análisis de correlación entre cantidades de pulsaciones turbulentas, establecer una ecuación diferencial de movimiento representada por un tensor de correlación y luego resolverla.
Actualmente, este enfoque se limita al estudio de la turbulencia isotrópica uniforme y ha logrado ciertos resultados. . Resultados.
La distribución de probabilidad de la cantidad de pulsaciones también es una característica del movimiento turbulento. En el flujo turbulento uniforme, la distribución de probabilidad de la velocidad del flujo pulsante está cerca de la distribución normal, pero en el flujo turbulento cortante, la distribución de probabilidad a menudo no es la distribución normal cuanto más cerca de la pared de entrada o más cerca de la libre.
El borde del flujo turbulento se desvía de la distribución normal. Para representar con mayor precisión las características de distribución de probabilidad del volumen de pulsación, a veces es necesario estudiar el momento de tercer orden (asimetría) y el momento de cuarto orden (parámetro de curtosis) del impulso del pulso. En teoría estadística, otro componente importante es el análisis del espectro energético. Desde la década de 1960, debido al avance de la tecnología de medición y visualización del flujo, se ha descubierto que el flujo turbulento puede considerarse como un flujo compuesto de muchos vórtices de diferentes tamaños. Los grandes remolinos obtienen energía del flujo promediado en el tiempo, la transfieren a pequeños remolinos paso a paso y finalmente se disipan mediante efectos viscosos. Los vórtices de diferentes tamaños provocan pulsaciones de diferentes frecuencias (números de onda de dominio). Por lo tanto, la energía de pulsación en un flujo turbulento se puede descomponer según la frecuencia (o número de onda) para obtener varias frecuencias (o números de onda) La distribución de la energía pulsante. del vórtice se llama espectro (o espectro de ondas) o espectro de energía turbulenta. La densidad espectral de energía dimensional Ei(n) del caudal pulsante (t) se puede expresar como
(7)
En la fórmula, n es el número de pulsaciones por unidad de tiempo, que se llama frecuencia; RE(t) es el coeficiente de autocorrelación. El espectro de energía unidimensional es propenso a confusión
por lo que a veces se utiliza el espectro de energía tridimensional. En la figura se muestra la curva del espectro de energía con el número de onda k como variable.
Diagrama esquemático de la curva del espectro de energía
Cálculo numérico del flujo turbulento Para buscar el cierre de la ecuación de Reynolds y la ecuación de continuidad, cada vez se consideran más factores en varios flujos turbulentos
Los modelos aparecen uno tras otro. El desarrollo de ordenadores electrónicos de alta velocidad y gran capacidad ha supuesto grandes avances en el cálculo numérico de las ecuaciones básicas de la turbulencia.
El contenido principal de la investigación experimental sobre turbulencia es observar fenómenos de turbulencia y medir diversos parámetros de turbulencia.
Los métodos comúnmente utilizados para observar fenómenos incluyen el método de Schlieren, el método de interferencia, el método de tinción, el método de la burbuja de hidrógeno, etc. En los últimos años, también se han utilizado ampliamente el método de interferencia láser y la tecnología holográfica. En cuanto al procesamiento de datos, ahora se pueden utilizar analizadores de espectro en tiempo real, medidores de coordenadas x-y, etc. para proporcionar espectro, función de correlación, densidad de probabilidad y otros datos relacionados con el flujo turbulento durante la medición.
¡Eso es bastante detallado!