Laminar este un flux de aer în care fluxurile de aer se mișcă în aceeași direcție și sunt paralele între ele. Când viteza crește până la o anumită valoare, fluxul de aer se scurge, pe lângă viteza de translație, dobândește și viteze în schimbare rapidă perpendiculară pe direcția mișcării de translație. Se formează un flux, care se numește turbulent, adică haotic.

strat limită

Stratul limită este stratul în care viteza aerului variază de la zero la o valoare apropiată de viteza locală a aerului.

Când un flux de aer curge în jurul unui corp (Fig. 5), particulele de aer nu alunecă pe suprafața corpului, ci sunt decelerate, iar viteza aerului lângă suprafața corpului devine egală cu zero. Când se îndepărtează de suprafața corpului, viteza aerului crește de la zero la viteza fluxului de aer.

Grosimea stratului limită se măsoară în milimetri și depinde de vâscozitatea și presiunea aerului, de profilul corpului, de starea suprafeței acestuia și de poziția corpului în fluxul de aer. Grosimea stratului limită crește treptat de la marginea frontală la marginea de fugă. În stratul limită, natura mișcării particulelor de aer diferă de natura mișcării în afara acestuia.

Luați în considerare o particulă de aer A (Fig. 6), care este situată între fluxurile de aer cu viteze U1 și U2, datorită diferenței acestor viteze aplicate în puncte opuse ale particulei, aceasta se rotește și cu atât mai mult, cu atât această particulă este mai aproape de suprafața corpului (unde diferența este cea mai mare viteză). Când se îndepărtează de suprafața corpului, mișcarea de rotație a particulei încetinește și devine egală cu zero datorită egalității vitezei fluxului de aer și vitezei aerului stratului limită.

În spatele corpului, stratul limită trece într-un traseu, care se estompează și dispare pe măsură ce se îndepărtează de corp. Turbulența din urmă lovește coada aeronavei și îi reduce eficiența, provocând tremurări (fenomenul Buffing).

Stratul limită este împărțit în laminar și turbulent (Fig. 7). Cu un flux laminar constant al stratului limită, apar doar forțe interne de frecare din cauza vâscozității aerului, astfel încât rezistența aerului în stratul laminar este mică.

Orez. cinci

Orez. 6 Fluxul de aer în jurul unui corp - decelerare a fluxului în stratul limită

Orez. 7

Într-un strat limită turbulent, există o mișcare continuă a fluxurilor de aer în toate direcțiile, ceea ce necesită Mai mult energie pentru a menține o mișcare vortex aleatorie și, ca urmare, se creează o rezistență mai mare a fluxului de aer la corpul în mișcare.

Coeficientul Cf este utilizat pentru a determina natura stratului limită. Un corp cu o anumită configurație are propriul său coeficient. Deci, de exemplu, pentru o placă plată, coeficientul de rezistență al stratului limită laminar este:

pentru stratul turbulent

unde Re este numărul Reynolds, care exprimă raportul dintre forțele de inerție și forțele de frecare și determină raportul dintre două componente - rezistența profilului (rezistența formei) și rezistența la frecare. Numărul Reynolds Re este determinat de formula:

unde V este viteza fluxului de aer,

I - caracterul dimensiunii corpului,

coeficientul cinetic de vâscozitate al forțelor de frecare a aerului.

Când un flux de aer curge în jurul unui corp la un anumit punct, stratul limită se schimbă de la laminar la turbulent. Acest punct se numește punct de tranziție. Locația sa pe suprafața profilului corpului depinde de vâscozitatea și presiunea aerului, de viteza fluxurilor de aer, de forma corpului și de poziția sa în fluxul de aer, precum și de rugozitatea suprafeței. Atunci când creează profile de aripi, designerii tind să plaseze acest punct cât mai departe posibil de marginea anterioară a profilului, reducând astfel rezistența la frecare. În acest scop, se folosesc profile laminate speciale pentru a crește netezimea suprafeței aripii și o serie de alte măsuri.

Cu o creștere a vitezei fluxului de aer sau o creștere a unghiului corpului față de fluxul de aer până la o anumită valoare, la un moment dat, stratul limită este separat de suprafață, în timp ce presiunea din spatele acestui punct scade brusc. .

Ca urmare a faptului că presiunea la marginea de fugă a corpului este mai mare decât în ​​spatele punctului de separare, există un flux invers de aer din zona de presiune mai mare către zona de presiune mai mică către punctul de separare, ceea ce presupune separarea fluxului de aer de suprafața corpului (Fig. 8).

Un strat limită laminar se separă mai ușor de suprafața corpului decât unul turbulent.

Ecuația de continuitate pentru un jet de curent de aer

Ecuația continuității jetului de aer (constanța fluxului de aer) este o ecuație a aerodinamicii, care decurge din legile de bază ale fizicii - conservarea masei și a inerției - și stabilește relația dintre densitate, viteză și zona secțiunii transversale a jetului de aer.

Orez. 8

Orez. nouă

Luând în considerare, se acceptă condiția ca aerul studiat să nu aibă proprietatea de compresibilitate (Fig. 9).

Într-un filtru de secțiune transversală variabilă, un al doilea volum de aer curge prin secțiunea I pentru o anumită perioadă de timp, acest volum este egal cu produsul dintre viteza fluxului de aer și secțiunea transversală F.

Al doilea debit de aer în masă m este egal cu produsul dintre cel de-al doilea debit de aer și densitatea fluxului de aer p a jetului. Conform legii conservării energiei, masa debitului de aer al curentului m1 care curge prin secțiunea I (F1) este egală cu masa m2 a acestui debit care trece prin secțiunea II (F2), cu condiția ca debitul de aer să fie constant. :

m1=m2=const, (1,7)

m1F1V1=m2F2V2=const. (1,8)

Această expresie se numește ecuația continuității jetului fluxului de aer al curentului.

F1V1=F2V2= const. (1,9)

Deci, se poate observa din formula că același volum de aer trece prin diferite secțiuni ale fluxului într-o anumită unitate de timp (secunda), dar cu viteze diferite.

Scriem ecuația (1.9) sub următoarea formă:

Din formula se poate observa că viteza fluxului de aer a jetului este invers proporțională cu aria secțiunii transversale a jetului și invers.

Astfel, ecuația de continuitate a jetului fluxului de aer stabilește relația dintre secțiunea transversală a jetului și viteza, cu condiția ca debitul de aer al jetului să fie constant.

Presiunea statică și viteza capului ecuația Bernoulli

aerodinamica avioanelor

Aeronava, care se află într-un flux de aer staționar sau în mișcare față de ea, suferă presiune din partea acestuia din urmă, în primul caz (când fluxul de aer este staționar) este presiune statică, iar în al doilea caz (când fluxul de aer este mobil). ) este presiune dinamică, este adesea numită presiune de viteză. Presiunea statică dintr-un curent este similară cu presiunea unui lichid în repaus (apă, gaz). De exemplu: apă într-o țeavă, poate fi în repaus sau în mișcare, în ambele cazuri pereții țevii sunt sub presiunea apei. În cazul mișcării apei, presiunea va fi ceva mai mică, deoarece a apărut o presiune de viteză.

Conform legii conservării energiei, energia unui curent de aer în diferite secțiuni ale unui curent de aer este suma energiei cinetice a curentului, energia potențială a forțelor de presiune, energia internă a curentului și energia a pozitiei corpului. Această sumă este o valoare constantă:

Ekin+Ep+Evn+En=const (1.10)

Energia cinetică (Ekin) - capacitatea unui flux de aer în mișcare de a lucra. Ea este egală

unde m este masa aerului, kgf s2m; Viteza în V a fluxului de aer, m/s. Dacă în loc de masa m înlocuim densitatea masei aerului p, atunci obținem formula pentru determinarea vitezei înălțimii q (în kgf / m2)

Energia potențială Ep - capacitatea fluxului de aer de a lucra sub influența forțelor de presiune statică. Este egal cu (în kgf-m)

unde Р - presiunea aerului, kgf/m2; F este aria secțiunii transversale a filamentului de flux de aer, m2; S este calea parcursă de 1 kg de aer printr-o secțiune dată, m; produsul SF se numește volum specific și se notează cu v, înlocuind valoarea volumului specific de aer în formula (1.13), obținem

Energia internă Evn este capacitatea unui gaz de a lucra atunci când temperatura acestuia se schimbă:

unde Cv este capacitatea termică a aerului la un volum constant, cal/kg-grad; T-temperatura pe scara Kelvin, K; A este echivalentul termic al lucrului mecanic (cal-kg-m).

Din ecuație se poate observa că energia internă a fluxului de aer este direct proporțională cu temperatura acestuia.

Energia de poziție En este capacitatea aerului de a lucra atunci când poziția centrului de greutate al unei anumite mase de aer se modifică atunci când aceasta se ridică la o anumită înălțime și este egală cu

unde h este modificarea înălțimii, m.

Având în vedere valorile mici și mici ale separării centrelor de greutate ale maselor de aer de-a lungul înălțimii într-un strop de aer, această energie este neglijată în aerodinamică.

Luând în considerare toate tipurile de energie în raport cu anumite condiții, este posibil să se formuleze legea lui Bernoulli, care stabilește o relație între presiunea statică într-un stropire a fluxului de aer și presiunea vitezei.

Să considerăm o conductă (Fig. 10) cu diametru variabil (1, 2, 3) în care se mișcă un flux de aer. Manometrele sunt folosite pentru a măsura presiunea în secțiunile luate în considerare. Analizând citirile manometrelor, putem concluziona că cea mai mică presiune dinamică este indicată de un manometru din secțiunea 3-3. Aceasta înseamnă că atunci când conducta se îngustează, viteza fluxului de aer crește și presiunea scade.

Orez. 10

Motivul căderii de presiune este că debitul de aer nu produce niciun lucru (fără frecare) și, prin urmare, energia totală a fluxului de aer rămâne constantă. Dacă considerăm că temperatura, densitatea și volumul fluxului de aer în diferite secțiuni sunt constante (T1=T2=T3; р1=р2=р3, V1=V2=V3), atunci energia internă poate fi ignorată.

Aceasta înseamnă că, în acest caz, este posibilă tranziția energiei cinetice a fluxului de aer în energie potențială și invers.

Când viteza fluxului de aer crește, atunci crește viteza de cap și, în consecință, energia cinetică a acestui flux de aer.

Înlocuim valorile din formulele (1.11), (1.12), (1.13), (1.14), (1.15) în formula (1.10), ținând cont că neglijăm energia internă și energia de poziție, transformând ecuația (1.10). ), noi obținem

Această ecuație pentru orice secțiune a unui firicel de aer este scrisă după cum urmează:

Acest tip de ecuație este cea mai simplă ecuație matematică Bernoulli și arată că suma presiunilor statice și dinamice pentru orice secțiune a unui flux de aer constant este o valoare constantă. Compresibilitatea nu este luată în considerare în acest caz. Se fac corecții corespunzătoare atunci când se ia în considerare compresibilitatea.

Pentru claritatea legii lui Bernoulli, puteți efectua un experiment. Luați două foi de hârtie, ținându-le paralele una cu cealaltă la o distanță mică, suflați în golul dintre ele.

Orez. unsprezece

Frunzele se apropie. Motivul convergenței lor este că pe partea exterioară a foilor presiunea este atmosferică, iar în golul dintre ele, datorită prezenței unei presiuni de aer de mare viteză, presiunea a scăzut și a devenit mai mică decât atmosferică. Sub influența diferenței de presiune, foile de hârtie se îndoaie spre interior.

tuneluri de vant

O configurație experimentală pentru studierea fenomenelor și proceselor care însoțesc fluxul de gaz în jurul corpurilor se numește tunel de vânt. Principiul de funcționare a tunelurilor de vânt se bazează pe principiul relativității lui Galileo: în loc de mișcarea unui corp într-un mediu staționar, se studiază un flux de gaz în jurul unui corp staționar.În tunelurile de vânt, forțele aerodinamice care acționează asupra aeronavei și se determină experimental momentele, se studiază distribuțiile de presiune și temperatură pe suprafața sa, se observă modelul de curgere în jurul corpului, se studiază aeroelasticitatea etc.

În funcție de intervalul numerelor Mach M, tunelurile de vânt sunt împărțite în subsonice (M=0,15-0,7), transonice (M=0,7-13), supersonice (M=1,3-5) și hipersonice (M=5-25), conform principiului de funcționare - în camere de compresoare (funcționare continuă), în care fluxul de aer este creat de un compresor special, și cele cu baloane cu presiune crescută, conform dispoziției circuitului - în cele închise și deschise.

Țevile compresoarelor au eficiență ridicată, sunt ușor de utilizat, dar necesită crearea de compresoare unice cu cheltuieli mari gaz si putere mare. Tunelurile de vânt cu baloane sunt mai puțin economice decât tunelurile de vânt cu compresor, deoarece o parte din energie se pierde atunci când gazul este accelerat. În plus, durata de funcționare a tunelurilor de vânt cu baloane este limitată de alimentarea cu gaz în butelii și variază de la zeci de secunde la câteva minute pentru diferite tuneluri de vânt.

Distribuția largă a tunelurilor de vânt cu baloane se datorează faptului că acestea sunt mai simple în design și puterea compresorului necesară pentru umplerea baloanelor este relativ mică. În tunelurile eoliene cu buclă închisă se utilizează o parte semnificativă a energiei cinetice rămase în fluxul de gaz după trecerea acestuia prin zona de lucru, ceea ce mărește eficiența tunelului eolian. În acest caz, totuși, este necesară creșterea dimensiunilor totale ale instalației.

În tunelurile de vânt subsonice sunt studiate caracteristicile aerodinamice ale elicopterelor subsonice, precum și caracteristicile aeronavelor supersonice în modurile de decolare și aterizare. În plus, ele sunt folosite pentru a studia fluxul din jurul mașinilor și al altor terenuri Vehicul, clădiri, monumente, poduri și alte obiecte Figura prezintă o diagramă a unui tunel de vânt subsonic cu o buclă închisă.

Orez. 12

1 - fagure 2 - grile 3 - precamera 4 - confuzor 5 - directia curgerii 6 - piesa de lucru cu model 7 - difuzor, 8 - curba cu palete rotative, 9 - compresor 10 - răcitor de aer

Orez. 13

1 - fagure 2 - grile 3 - precamera 4 confuzor 5 piesa de lucru perforata cu model 6 ejector 7 difuzor 8 cot cu palete de ghidare 9 evacuare aer 10 - alimentare cu aer din cilindri

Orez. paisprezece

1 - cilindru de aer comprimat 2 - conductă 3 - accelerație de control 4 - grile de nivelare 5 - fagure 6 - grile de turbulente 7 - precamera 8 - confuzor 9 - duză supersonică 10 - piesa de lucru cu modelul 11 ​​- difuzor supersonic 12 - difuzor subsonic 13 - difuzor subsonic 13 în atmosferă

Orez. 15

1 - cilindru cu presiune mare 2 - conductă 3 - clapetă de control 4 - încălzitor 5 - precamera cu fagure și grile 6 - duză hipersonică axisimetrică 7 - piesa de lucru cu modelul 8 - difuzor hipersonic axisimetric 9 - răcitor de aer 10 - direcția fluxului 11 - aer alimentare în ejectoare 12 - ejectoare 13 - obloane 14 - vas de vid 15 - difuzor subsonic

Studiul proprietăților fluxurilor de lichid și gaze este foarte important pentru industrie și utilități publice. Fluxul laminar și turbulent afectează viteza de transport a apei, petrolului, gazelor naturale prin conducte în diverse scopuri și afectează alți parametri. Știința hidrodinamicii se ocupă de aceste probleme.

Clasificare

În comunitatea științifică, regimurile de curgere ale lichidelor și gazelor sunt împărțite în două clase complet diferite:

• laminar (jet);
• turbulent.

Există și o etapă de tranziție. Apropo, termenul „lichid” are un sens larg: poate fi incompresibil (acesta este de fapt un lichid), compresibil (gaz), conductiv etc.

fundal

Chiar și Mendeleev în 1880 a exprimat ideea existenței a două regimuri opuse de curente. Fizicianul și inginerul britanic Osborne Reynolds a studiat această problemă mai detaliat, finalizându-și cercetările în 1883. În primul rând, practic, și apoi cu ajutorul formulelor, a stabilit că, la o viteză scăzută de curgere, mișcarea lichidelor capătă o formă laminară: straturile (fluxurile de particule) aproape că nu se amestecă și se deplasează de-a lungul traiectoriilor paralele. Cu toate acestea, după depășirea unei anumite valori critice (este diferită pentru diferite condiții), numită număr Reynolds, regimurile de curgere a fluidului se schimbă: curentul cu jet devine haotic, vortex - adică turbulent. După cum sa dovedit, acești parametri sunt, de asemenea, caracteristici gazelor într-o anumită măsură.

Calculele practice ale omului de știință englez au arătat că comportamentul, de exemplu, al apei, depinde în mare măsură de forma și dimensiunea rezervorului (țeavă, canal, capilar etc.) prin care curge. În țevile cu secțiune transversală circulară (astfel sunt utilizate pentru instalarea conductelor sub presiune), numărul lor Reynolds - formula este descrisă după cum urmează: Re \u003d 2300. Pentru curgerea de-a lungul unui canal deschis, este diferit: Re \u003d 900 La valori mai mici ale lui Re, fluxul va fi ordonat, în mare - haotic.

flux laminar

Diferența dintre un flux laminar și un flux turbulent este în natura și direcția fluxurilor de apă (gaz). Se mișcă în straturi fără amestecare și fără pulsații. Cu alte cuvinte, mișcarea este uniformă, fără salturi neregulate de presiune, direcție și viteză.

Fluxul laminar al unui lichid se formează, de exemplu, în ființe vii înguste, capilare ale plantelor și, în condiții comparabile, în fluxul de lichide foarte vâscoase (pacură printr-o conductă). Pentru a vedea vizual curentul cu jet, este suficient să deschideți ușor robinetul - apa va curge calm, uniform, fără amestecare. Dacă robinetul este închis până la capăt, presiunea din sistem va crește și debitul va deveni haotic.

curgere turbulentă

Spre deosebire de fluxul laminar, în care particulele din apropiere se deplasează pe traiectorii aproape paralele, fluxul turbulent al unui fluid este dezordonat. Dacă folosim abordarea Lagrange, atunci traiectoriile particulelor se pot intersecta în mod arbitrar și se pot comporta destul de imprevizibil. Mișcările lichidelor și gazelor în aceste condiții sunt întotdeauna instabile, iar parametrii acestor instabilitati pot avea o gamă foarte largă.

Modul în care fluxul laminar al unui gaz se transformă într-unul turbulent poate fi urmărit prin exemplul unui fir de fum de la o țigară aprinsă în aer nemișcat. Inițial, particulele se mișcă aproape în paralel pe traiectorii care nu se schimbă în timp. Fumul pare să fie liniştit. Apoi, pe alocuri, apar brusc vârtejuri mari, care se mișcă complet aleatoriu. Aceste vârtejuri se despart în altele mai mici, acelea în altele și mai mici și așa mai departe. În cele din urmă, fumul se amestecă practic cu aerul din jur.

Cicluri de turbulențe

Exemplul de mai sus este un manual, iar din observația sa, oamenii de știință au tras următoarele concluzii:

1. Fluxul laminar și turbulent au o natură probabilistică: trecerea de la un regim la altul nu are loc într-un loc precis specificat, ci într-un loc destul de arbitrar, întâmplător.
2. În primul rând, apar turbioare mari, a căror dimensiune este mai mare decât dimensiunea penei de fum. Mișcarea devine instabilă și puternic anizotropă. Pârâurile mari își pierd stabilitatea și se despart în altele din ce în ce mai mici. Astfel, ia naștere o întreagă ierarhie de vârtejuri. Energia mișcării lor este transferată de la mare la mic, iar la sfârșitul acestui proces dispare - disiparea energiei are loc la scară mică.
3. Regimul de curgere turbulent este de natură aleatorie: unul sau altul vârtej poate fi într-un loc complet arbitrar, imprevizibil.
4. Amestecarea fumului cu aerul din jur practic nu are loc în regim laminar, iar în regim turbulent este foarte intens.
5. În ciuda faptului că condițiile la limită sunt staționare, turbulența în sine are un caracter nestaționar pronunțat - toți parametrii gazodinamici se modifică în timp.

Există o altă proprietate importantă a turbulenței: este întotdeauna tridimensională. Chiar dacă luăm în considerare un flux unidimensional într-o țeavă sau un strat limită bidimensional, mișcarea turbulentelor are loc totuși în direcțiile tuturor celor trei axe de coordonate.

Numărul Reynolds: formulă

Tranziția de la laminar la turbulent este caracterizată de așa-numitul număr Reynolds critic:

Re cr = (ρuL/µ) cr,

unde ρ este densitatea fluxului, u este viteza caracteristică a fluxului; L este mărimea caracteristică a debitului, µ este coeficientul cr este debitul printr-o conductă cu secțiune transversală circulară.

De exemplu, pentru un flux cu o viteză u într-o conductă, Osborne Reynolds este folosit ca L și a arătat că în acest caz 2300

Un rezultat similar se obține în stratul limită de pe placă. Ca dimensiune caracteristică, se ia distanța de la marginea anterioară a plăcii și apoi: 3 × 10 5

Conceptul de perturbare a vitezei

Curgerea fluidului laminar și turbulent și, în consecință, valoarea critică a numărului Reynolds (Re) depind de un număr mai mare de factori: de gradientul de presiune, înălțimea denivelărilor de rugozitate, intensitatea turbulenței în fluxul extern, diferența de temperatură. , etc. Pentru comoditate, acești factori totali sunt numiți și perturbații de viteză, deoarece au un anumit efect asupra debitului. Dacă această perturbație este mică, ea poate fi stinsă de forțe vâscoase care tind să egaleze câmpul de viteză. Cu perturbări mari, curgerea își poate pierde stabilitatea și apar turbulențe.

Având în vedere că semnificația fizică a numărului Reynolds este raportul dintre forțele inerțiale și vâscoase, perturbarea fluxurilor se încadrează sub formula:

Re = ρuL/µ = ρu 2 /(µ×(u/L)).

Numătorul conține de două ori mai mare de viteză, iar numitorul este o valoare care este de ordinul tensiunii de frecare dacă grosimea stratului limită este luată ca L. Presiunea vitezei tinde să distrugă echilibrul și să contracareze acest lucru. Cu toate acestea, nu este clar de ce (sau capul vitezei) duc la modificări numai atunci când acestea sunt de 1000 de ori mai mari decât forțele vâscoase.

Calcule și fapte

Probabil ar fi mai convenabil să folosim ca viteză caracteristică în Re cr nu viteza absolută a curgerii u, ci perturbarea vitezei. În acest caz, numărul critic Reynolds va fi de aproximativ 10, adică atunci când perturbarea presiunii vitezei depășește tensiunile vâscoase cu un factor de 5, fluxul laminar al fluidului curge într-unul turbulent. Această definiție a lui Re, în opinia unui număr de oameni de știință, explică bine următoarele fapte confirmate experimental.

Pentru un profil de viteză uniform uniform pe o suprafață ideal netedă, numărul Re cr determinat în mod tradițional tinde spre infinit, adică nu se observă de fapt nicio tranziție la turbulență. Dar numărul Reynolds, determinat de mărimea perturbației vitezei, este mai mic decât cel critic, care este 10.

În prezența turbulatoarelor artificiale care provoacă o creștere a vitezei comparabilă cu viteza principală, fluxul devine turbulent la valori mult mai mici ale numărului Reynolds decât Re cr, determinate din valoarea absolută a vitezei. Acest lucru face posibilă utilizarea valorii coeficientului Re cr = 10, unde valoarea absolută a perturbării vitezei cauzate de motivele de mai sus este utilizată ca viteză caracteristică.

Stabilitatea regimului de curgere laminară în conductă

Fluxul laminar și turbulent este caracteristic tuturor tipurilor de lichide și gaze în diferite condiții. În natură, curgerile laminare sunt rare și sunt tipice, de exemplu, pentru fluxurile subterane înguste în condiții plane. Oamenii de știință sunt mult mai preocupați de această problemă în contextul aplicării practice pentru transportul apei, petrolului, gazelor și altor lichide tehnice prin conducte.

Problema stabilității unui flux laminar este strâns legată de studiul mișcării perturbate a fluxului principal. Se stabilește că este supus influenței așa-numitelor mici perturbații. În funcție de faptul că se estompează sau cresc în timp, curentul principal este considerat stabil sau instabil.

Curgerea fluidelor compresibile și incompresibile

Unul dintre factorii care afectează fluxul laminar și turbulent al unui fluid este compresibilitatea acestuia. Această proprietate a unui fluid este deosebit de importantă atunci când se studiază stabilitatea proceselor instabile cu o schimbare rapidă a fluxului principal.

Studiile arată că fluxul laminar al unui fluid incompresibil în conductele cilindrice este rezistent la perturbații relativ mici axisimetrice și neaxisimetrice în timp și spațiu.

Recent, au fost efectuate calcule privind efectul perturbațiilor axisimetrice asupra stabilității fluxului în porțiunea de intrare a unei conducte cilindrice, unde debitul principal depinde de două coordonate. În acest caz, coordonatele de-a lungul axei conductei este considerată un parametru de care depinde profilul de viteză de-a lungul razei conductei de curgere principală.

Ieșire

În ciuda secolelor de studiu, nu se poate spune că atât fluxul laminar, cât și cel turbulent au fost studiate temeinic. Studiile experimentale la micronivel ridică noi întrebări care necesită o justificare motivată de calcul. Natura cercetării este, de asemenea, de utilitate practică: în lume s-au instalat mii de kilometri de conducte de apă, petrol, gaze, produse. Cu cât se introduc mai multe soluții tehnice pentru a reduce turbulențele în timpul transportului, cu atât va fi mai eficient.

Pentru a reduce poluarea în camerele curate de înaltă clasă, se folosesc sisteme speciale de ventilație, în care fluxul de aer se deplasează de sus în jos fără turbulențe, adică. laminare. Cu fluxul de aer laminar, particulele de murdărie de la oameni și echipamente nu se împrăștie în încăpere, ci sunt colectate de fluxul de lângă podea.

Constructii

În general, camerele curate includ următoarele elemente de bază:

structuri de perete de inchidere (cadru, panouri de perete oarbe si vitrate, usi, ferestre);

tavane cu panouri ermetice și casete cu lumini cu grilă încorporate;

pardoseli antistatice;

Acoperire de podea cu zonă curată Clean-Zone este furnizat în role standard, pentru a fi instalat profesional ca acoperire de podea de la perete la perete, creând o capcană permanentă și inevitabil pentru murdărie.

sistem de preparare a aerului (unități de ventilație de alimentare, evacuare și recirculare, dispozitive de admisie a aerului, distribuitoare de aer cu filtre finale, dispozitive de control al aerului, echipamente cu senzori și elemente de automatizare etc.);

sistem de control pentru sistemele tehnice ale camerelor curate;

blocaje de aer;

ferestre de transfer;

module de filtrare-ventilator pentru crearea de zone curate în camerele curate.

Industria electronică este unul dintre cei mai mari consumatori de camere curate din lume. Cerințele de puritate din această industrie sunt cele mai stricte. Tendința de creștere constantă a acestor cerințe a condus la noi abordări calitativ pentru crearea unor medii curate. Esența acestor abordări este crearea de tehnologii izolatoare, de ex. în separarea fizică a unui anumit volum de aer curat de mediu. Această împărțire, de regulă, ermetică, a făcut posibilă excluderea influenței uneia dintre cele mai intense surse de poluare - omul. Utilizarea tehnologiilor de izolare presupune introducerea pe scară largă a automatizării și a roboticii. Utilizarea camerelor curate în microelectronică are propriile sale caracteristici: cerințele pentru curățenia aerului în ceea ce privește particulele de aerosoli vin în prim-plan. Sunt impuse cerințe sporite și asupra sistemului de împământare a camerei curate, mai ales în ceea ce privește asigurarea absenței electricității statice. În microelectronică, este necesar să se creeze camere curate de cele mai înalte clase de puritate cu podele perforate înălțate pentru a îmbunătăți liniile de flux de aer, de ex. creste fluxul unidirectional.

Instalațiile de producție curată ar trebui să ofere condiții pentru o curățenie maximă a producției; asigura izolarea volumului interior; intrarea in camerele curate printr-un vestibul special (poarta de acces).

Presiunea într-o cameră curată ar trebui să fie mai mare decât presiunea atmosferică pentru a împinge praful din cameră. În ecluză, hainele personalului sunt suflate pentru a îndepărta particulele de praf.

Camerele curate creează fluxuri de aer laminare, iar fluxurile turbulente, care sunt create de părțile rotative și în mișcare ale echipamentului, sunt inacceptabile. Este necesar să se asigure că nu există lucruri încălzite care contribuie la formarea curenților de convecție.

De obicei, podea și tavanul cu șipci sunt utilizate.

Echipamentul minim este plasat în camere curate

Deoarece producția de camere curate este foarte costisitoare, se folosesc zone locale de desprăfuire.

Una dintre modalitățile eficiente de a reduce costurile atunci când se creează complexe de camere curate este zonarea unei camere curate în zone locale, care pot diferi unele de altele atât în ​​ceea ce privește clasa de puritate a aerului, cât și scopul funcțional (numai protecția produsului sau protecția atât a produsului, cât și a mediului).

Astfel, în interiorul unei camere curate cu o clasă scăzută de curățenie, deasupra locurilor critice în proces pot fi create zone curate cu o clasă de curățenie mai mare decât camera în care sunt amplasate.

Scopul principal al zonelor curate:

menținerea parametrilor specificați ai mediului aerian în spațiul de lucru local;

protejarea produsului de influențele mediului.

În conformitate cu definiția dată în GOST R ISO 14644-1-2000, o zonă curată este un spațiu definit în care concentrația particulelor în aer este controlată, proiectată și utilizată pentru a minimiza intrarea, ieșirea și reținerea particulelor în zonă și permițând controlului altor parametri, cum ar fi temperatura, umiditatea și presiunea, după cum este necesar.

Zonele curate pot fi implementate structural fie ca parte a sistemului general de ventilație a camerei curate, fie ca produse de sine stătătoare.

Prima metodă este aplicabilă atunci când locația zonelor curate este stabilită în faza de proiectare a creării unei camere curate și nu este supusă modificării pe toată perioada de funcționare a acesteia, precum și dacă este necesar să se furnizeze aer proaspăt la spațiul de lucru al unei zone curate.

A doua metodă implică posibilitatea de a schimba locația zonelor curate, ceea ce oferă mai multe oportunități de schimbare a procesului tehnologic și de modernizare a echipamentelor. În același timp, zonele curate, realizate ca produse independente, pot fi fie fixate pe structurile portante ale camerei curate, fie produse mobile autonome care se pot deplasa în interiorul camerei curate.

Cel mai adesea, condițiile de producție curate sunt utilizate cu o utilizare minimă a personalului, folosind mașini semiautomate. Utilizați adesea setările locale. Recent, au fost folosite instalațiile cluster (cluster).

Specificații:

1 Presiune maximă într-o cameră curată, goală și degazată, Pa 1,33x10-3

2 Timp de recuperare a presiunii 1,33x10-3 Pa, min 30

3 Dimensiuni camera de lucru, mm Diametru Înălțime 900 1000

4 Număr de acceleratoare cu plasmă cu catozi metalici (SPU-M) cu separare a fluxului de plasmă, buc 3

5 Număr de acceleratoare cu plasmă pulsată cu catozi de grafit (IPU-S) cu separare a fluxului de plasmă, buc 4

6 Număr de surse extinse de ioni pentru curățare și asistență (tip RIF), buc 1

7 Încălzire la substrat, 0С 250

8 Echipamente tehnologice: Planetariu unic, buc. Planetar dublu, buc 1 1

9 Sistem de purjare a gazului de proces

10 Sistem de control și management al ciclului tehnologic

11 Pompare în vid înalt: două pompe de difuzie care funcționează în paralel NVDM-400 cu o capacitate de 7000 l/s fiecare

12 Pompare înainte de vid: unitate de vid anterior AVR-150 cu o capacitate de 150 l/s

13 Puterea electrică maximă consumată de unitatea de vid, kW, nu mai mult de 50

14 Suprafata ocupata de unitatea de vid, m2 25

Distensibilitatea pulmonară caracterizează cantitativ extensibilitatea țesutului pulmonar în orice moment de modificare a volumului acestora în fazele de inspirație și expirație. Prin urmare, extensibilitatea este o caracteristică statică a proprietăților elastice ale țesutului pulmonar. Cu toate acestea, în timpul respirației, există rezistență la mișcarea aparatului respirator extern, ceea ce determină caracteristicile sale dinamice, dintre care cel mai important este rezistenţă fluxul de aer pe măsură ce acesta se deplasează prin căile respiratorii ale plămânilor.

Mișcarea aerului din mediul extern prin tractul respirator spre alveole și invers este influențată de gradientul de presiune: în acest caz, aerul se deplasează dintr-o zonă de înaltă presiune într-o zonă de joasă presiune. La inhalare, presiunea aerului din spațiul alveolar este mai mică decât presiunea atmosferică, iar la expirare, invers. Rezistența căilor respiratorii flux de aer depinde de gradientul de presiune dintre cavitatea bucală și spațiul alveolar.

Flux de aer prin tractul respirator poate fi laminare, turbulentși de tranziție între aceste tipuri. Aerul se deplasează în căile respiratorii în principal într-un flux laminar, a cărui viteză este mai mare în centrul acestor tuburi și mai scăzută lângă pereții acestora. În cazul fluxului de aer laminar, viteza acestuia depinde liniar de gradientul de presiune de-a lungul căilor respiratorii. În locurile în care căile respiratorii se divid (bifurcații), fluxul de aer laminar devine turbulent. Când se produce un flux turbulent în căile respiratorii, se produce un zgomot respirator care poate fi auzit în plămâni cu un stetoscop. Rezistența la fluxul laminar de gaz într-o țeavă este determinată de diametrul acesteia. Prin urmare, conform legii lui Poiseuille, cantitatea de rezistență a căilor respiratorii la fluxul de aer este proporțională cu diametrul lor ridicat la a patra putere. Deoarece rezistența căilor respiratorii este invers legată de diametrul lor față de a patra putere, acest indicator depinde cel mai semnificativ de modificările diametrului căilor respiratorii cauzate, de exemplu, de eliberarea de mucus din membrana mucoasă sau de îngustarea lumenului bronșic. . Diametrul total al secțiunii transversale a căilor respiratorii crește în direcția de la trahee la periferia plămânului și devine cât mai mare posibil în căile respiratorii terminale, ceea ce determină o scădere bruscă a rezistenței la fluxul de aer și a vitezei acestuia în aceste părți. a plămânilor. Astfel, viteza liniară a fluxului de aer inhalat în trahee și bronhii principale este de aproximativ 100 cm/s. La limita căilor respiratorii și zonele de tranziție ale tractului respirator, viteza liniară a fluxului de aer este de aproximativ 1 cm / s, în bronhiile respiratorii scade la 0,2 cm / s, iar în pasajele alveolare și sacii - până la 0,02 cm/s. Un astfel de debit de aer scăzut în canalele alveolare și sacii provoacă o ușoară rezistenţă aer în mișcare și nu este însoțită de o cheltuială semnificativă de energie a contracției musculare.

Dimpotrivă, cel mai mare rezistenta cailor respiratorii flux de aer apare la nivelul bronhiilor segmentare datorită prezenței în mucoasa lor a epiteliului secretor și a unui strat de mușchi neted bine dezvoltat, adică factori care afectează cel mai mult atât diametrul căilor respiratorii, cât și rezistența la fluxul de aer în acestea. Una dintre funcțiile mușchilor respiratori este de a depăși această rezistență.

Există două forme diferite, două moduri de curgere a fluidului: flux laminar și turbulent. Curgerea se numește laminar (stratificat) dacă fiecare strat subțire selectat alunecă de-a lungul fluxului în raport cu cele învecinate fără a se amesteca cu acestea și turbulent (vortex) dacă de-a lungul curgerii au loc formarea intensivă de vortex și amestecarea lichidului (gaz).

Laminare curgerea fluidului se observă la viteze mici ale mișcării sale. În fluxul laminar, traiectoriile tuturor particulelor sunt paralele și urmează limitele fluxului în forma lor. Într-o țeavă rotundă, de exemplu, lichidul se mișcă în straturi cilindrice, a căror generatoare este paralelă cu pereții și axa țevii. Într-un canal dreptunghiular, infinit de larg, lichidul se mișcă, parcă, în straturi paralele cu fundul său. În fiecare punct al fluxului, viteza rămâne constantă de-a lungul direcției. Dacă viteza în același timp nu se modifică în timp și în mărime, mișcarea se numește constantă. Pentru mișcarea laminară într-o țeavă, diagrama distribuției vitezei în secțiune transversală are forma unei parabole cu o viteză maximă pe axa țevii și cu o valoare zero la pereți, unde se formează un strat de lichid aderent. . Stratul exterior de lichid adiacent suprafeței conductei în care curge, datorită forțelor de coeziune moleculară, aderă la acesta și rămâne imobil. Vitezele straturilor ulterioare sunt cu atât mai mari, cu atât distanța lor de suprafața țevii este mai mare, iar stratul care se mișcă de-a lungul axei țevii are cea mai mare viteză. Profilul vitezei medii a fluxului turbulent în conducte (Fig. 53) diferă de profilul parabolic al fluxului laminar corespunzător printr-o creștere mai rapidă a vitezei υ.

Figura 9Profile (diagrame) fluxurilor de fluide laminare și turbulente în conducte

Valoarea medie a vitezei în secțiunea transversală a unei țevi rotunde cu un flux laminar constant este determinată de legea Hagen-Poiseuille:

(8)

unde p 1 și p 2 - presiunea în două secțiuni transversale ale țevii distanțate una de cealaltă la o distanță Δx; r - raza conductei; η este coeficientul de vâscozitate.

Legea Hagen-Poiseuille poate fi ușor verificată. Se dovedește că pentru lichidele obișnuite este valabil doar la debite mici sau la dimensiuni mici ale țevilor. Mai precis, legea Hagen-Poiseuille este satisfăcută numai pentru valori mici ale numărului Reynolds:

(9)

unde υ este viteza medie în secțiunea transversală a conductei; l- dimensiunea caracteristică, în acest caz - diametrul conductei; ν - coeficientul de vâscozitate cinematică.

Omul de știință englez Osborne Reynolds (1842 - 1912) a făcut în 1883 un experiment după următoarea schemă: la intrarea într-o țeavă prin care curge un flux constant de lichid, a fost plasat un tub subțire, astfel încât orificiul său să fie pe axa tubul. Vopsea a fost introdusă prin tub în fluxul de lichid. Atâta timp cât a existat fluxul laminar, vopseaua s-a deplasat aproximativ de-a lungul axei țevii sub forma unei benzi subțiri, puternic limitate. Apoi, pornind de la o anumită valoare a vitezei, pe care Reynolds a numit-o critice, au apărut perturbații ondulante și vortexuri individuale cu amortizare rapidă. Pe măsură ce viteza a crescut, numărul lor a devenit mai mare și au început să se dezvolte. La o anumită viteză, banda s-a rupt în vârtejuri separate, care s-au propagat pe toată grosimea fluxului de lichid, provocând amestecarea intensă și colorarea întregului lichid. Acest flux a fost numit turbulent .

Plecând de la valoarea critică a vitezei, a fost încălcată și legea Hagen-Poiseuille. Repetând experimente cu conducte de diametre diferite, cu lichide diferite, Reynolds a constatat că viteza critică la care este încălcat paralelismul vectorilor vitezei curgerii variază în funcție de mărimea debitului și de vâscozitatea lichidului, dar întotdeauna în așa fel. că numărul adimensional
a luat o anumită valoare constantă în regiunea de trecere de la curgerea laminară la cea turbulentă.

Omul de știință englez O. Reynolds (1842 - 1912) a demonstrat că natura curgerii depinde de o mărime adimensională numită numărul Reynolds:

(10)

unde ν = η/ρ este vâscozitatea cinematică, ρ este densitatea lichidului, υ av este viteza medie a lichidului pe secțiunea conductei, l- dimensiunea liniară caracteristică, de exemplu, diametrul țevii.

Astfel, până la o anumită valoare a numărului Re, există un flux laminar stabil, iar apoi, într-un anumit interval de valori ale acestui număr, fluxul laminar încetează să fie stabil și separat, apar perturbații de amortizare mai mult sau mai puțin rapidă. în flux. Reynolds a numit aceste valori ale numărului critic Re cr. Odată cu o creștere suplimentară a valorii numărului Reynolds, mișcarea devine turbulentă. Zona valorilor critice Re se află de obicei între 1500-2500. De remarcat faptul că valoarea Re cr este influențată de natura intrării în conductă și de gradul de rugozitate al pereților acesteia. Cu pereți foarte netezi și o intrare în țeavă deosebit de netedă, valoarea critică a numărului Reynolds ar putea fi ridicată la 20.000, iar dacă intrarea țevii are margini ascuțite, bavuri etc., sau pereții țevii sunt aspri, valoarea Re cr poate scade la 800-1000 .

În debitul turbulent, particulele de fluid dobândesc componente de viteză perpendiculare pe flux, astfel încât se pot muta de la un strat la altul. Viteza particulelor lichide crește rapid pe măsură ce se îndepărtează de suprafața conductei, apoi se modifică destul de ușor. Deoarece particulele de lichid trec de la un strat la altul, vitezele lor în diferite straturi diferă puțin. Datorită gradientului mare de viteză în apropierea suprafeței conductei, se formează de obicei vârtejuri.

Fluxul turbulent de lichide este cel mai comun în natură și tehnologie. Fluxul de aer înăuntru atmosfera, apa in mari si rauri, in canale, in conducte este intotdeauna agitata. În natură, mișcarea laminară are loc în timpul filtrării apei în porii fini ai solurilor cu granulație fină.

Studiul fluxului turbulent și construcția teoriei sale sunt extrem de complicate. Dificultățile experimentale și matematice ale acestor investigații au fost până acum doar parțial depășite. Prin urmare, o serie de probleme practic importante (debitul apei în canale și râuri, mișcarea în aer a unei aeronave cu un anumit profil etc.) trebuie rezolvate fie aproximativ, fie prin testarea modelelor corespunzătoare în tuburi hidrodinamice speciale. . Pentru trecerea de la rezultatele obținute pe model la fenomenul din natură se folosește așa-numita teorie a similitudinii. Numărul Reynolds este unul dintre criteriile principale pentru asemănarea unui flux de fluid vâscos. Prin urmare, definirea sa este practic foarte importantă. În această lucrare, se observă o tranziție de la fluxul laminar la cel turbulent și se determină mai multe valori ale numărului Reynolds: în regiunea curgerii laminare, în regiunea de tranziție (curgerea critică) și în fluxul turbulent.