Ламинарное и турбулентное движение газов

В зависимости от характера движения в трубах, каналах печей и т. д. различают ламинарное (или слоистое) и турбулентное (или вихревое) движение газов.

Ламинарное называют такое движение, при котором струйки газа перемещаются параллельно одна другой, не пересекаясь.

Характерной особенностью ламинарного движения является параболическое распределение скоростей по сечению потока, обусловленное трением о поверхность канала прилегающего к ней слоя газа и последующих слоев друг о друга.

W_ср=0,5W_max W_ср=0,76W_max

Рисунок 1

При турбулентном режиме в потоке возникает множество вихрей, что приводит к интенсивному перемешиванию газа. Распределение скоростей при этом более равномерное и имеет вид усеченной параболы. Возникает вопрос: от чего зависит характер движения газов и как определить, что это ламинарное или турбулентное движение.

Пределы существования ламинарного и турбулентного движения были установлены Рейнольдсом (1883 г.), который показал, что характер движения газов зависит от соотношения сил инерции и сил внутреннего трения (вязкости) в потоке. Это соотношение характеризуется безразмерным комплексом, названым впоследствии критерием Рейнольдса:

, (1.6)

где d_г – гидравлический диаметр канала; d_г=4F/П (здесь F – площадь сечения канала, П – периметр для некруглого сечения), для круглого сечения .

Установлено, что ламинарное движение имеет место при Re£2100, турбулентное – при Re³2300.

Из структуры критерия Рейнольдса видно, что турбулизации потока способствует увеличение скорости и диаметра канала и препятствует увеличение коэффициента кинематической вязкости. При течении какого-то конкретного газа по каналу постоянного сечения характер потока зависит исключительно от скорости. При увеличении скорости поток может перейти из ламинарного в турбулентный и наоборот.

Если обратить внимание на эпюру распределения скоростей при турбулентном движении, то видно, что все сечение потока может быть разделено на две, не равные части: очень тонкий, пристеночный пограничный слой и основная часть потока. В пределах пограничного слоя резко изменяется (уменьшается к поверхности) скорость, а в пределах основного потока скорость практически неизменна. Таким образом, при турбулентном движении основной части потока, где скорость практически неизменна, характерно отсутствие трения, т. е. в этой части потока вязкость среды на движение не влияет и можно применять в этом случае закономерности, характерные для идеальной среды.