Laminarny turbulencji przejściowy - Laminar–turbulent transition
Proces z laminarnym przepływem coraz turbulentnego, jest znany jako warstwowego turbulencji przejścia . Jest to niezwykle skomplikowany proces, który obecnie nie jest w pełni zrozumiałe. Jednakże, w wyniku wielu lat intensywnych badań, niektóre cechy stały się stopniowo jasne, a wiadomo, że proces przebiega przez szereg etapów. „Przepływ przejściowe” może odnosić się do przejścia w obu kierunkach, to znaczy przejściowy lub turbulentny, laminarny przepływ laminarny przejściowy turbulencji.
Podczas gdy proces dotyczy dowolnego przepływu płynu, to jest najczęściej używany w kontekście warstw granicznych ze względu na ich wszechobecność w rzeczywistych przepływów płynów i ich znaczenie w wielu procesach dynamiki płynów.
Zawartość
Historia
W 1883 Osborne Reynolds wykazał przejście dla przepływu turbulentnego w klasycznym doświadczeniu, w którym badane zachowania przepływu wody przy różnych natężeniach przepływu za pomocą małego strumienia barwionego wody wprowadzonej do środka przepływu w większej rury.
Im większa była rury szklanej, aby można było obserwować zachowanie warstwy przepływu barwione, a na końcu tej rury był Zawór sterowania stosowane w celu zmiany prędkości przepływu wody wewnątrz rury. Gdy prędkość była niska, barwionej warstwa pozostaje wyraźna na całej długości dużego rury. Gdy prędkość przepływu zwiększono warstwa rozpadł się w danym punkcie i rozproszone w całym przekroju poprzecznym tego czynnika. Punkt, w którym to się stało, punkt przejściowy z laminarnego na turbulentny. Reynolds zidentyfikowane parametr regulujący dla początku tego efektu, co było wielkością bezwymiarową stała zwana później liczby Reynoldsa .
Reynolds, okazało się, że nastąpiło przejście pomiędzy Re = 2000 i 13000, w zależności od gładkości warunków wprowadzania. Przy ekstremalnych zwróci się uwagę, że przejście może nawet zdarzyć się tak wysokie, jak Re 40000 Z drugiej strony, Re = 2000 wydaje się być o najniższej wartości uzyskanej przy szorstkiej wejściem.
Publikacje Reynoldsa w dynamice płynów rozpoczęła się we wczesnych latach 1870-tych. Jego ostateczny model teoretyczny opublikowany w połowie 1890 roku nadal jest średnia ramy matematyczne stosowane. Przykłady tytułów z jego bardziej przełomowych raportów są:
- Ulepszenia w urządzenia do uzyskiwania Motive Power z płynów, a także do podnoszenia lub wymuszanie Płyny (1875)
- Eksperymentalna badanie okoliczności, które determinują, czy ruch wody w równoległych kanałach powinny być bezpośrednie lub falisty i prawa oporności równoległych kanałów (1883)
- Na dynamicznej teorii nieściśliwych lepkich płynów i określenia kryterium (1895)
Etapy przejściowe w warstwie granicznej
Warstwa graniczna może przechodzić przez turbulencje szereg ścieżek. Która ścieżka jest realizowany fizycznie zależy od warunków początkowych, takich jak początkowej amplitudy zakłóceń i chropowatości powierzchni. Poziom zrozumienie każdego etapu różni się znacznie od prawie całkowite zrozumienie wzrostu podstawowego trybu do prawie całkowitego braku zrozumienia mechanizmów obejścia .
Podatność
W początkowej fazie procesu transformacji naturalnych znany jest jako faza chłonność i składa się z transformacji zaburzeń środowiskowych - zarówno akustyczny (dźwięk) i wirowe (turbulencji) - na małe zakłócenia w warstwie granicznej. Mechanizmy, za pomocą których takie zakłócenia pojawiają są różne i obejmują freestream dźwięk i / lub turbulencje interakcji z krzywizny powierzchni, nieciągłości kształtu i chropowatości powierzchni. Te warunki początkowe są małe, często niezmierzonych perturbacje do podstawowego przepływu państwowej. Stąd wzrost (lub rozpad) tych zaburzeń zależy od charakteru zaburzenia i charakteru stanu podstawowego. Zaburzenia akustyczne mają tendencję do wzbudzania niestabilności dwuwymiarowe, takie jak fale Tollmien-Schlichtinga (fal TS), podczas gdy zaburzenia wirowe prowadzą do wzrostu zjawisk trójwymiarowych, takich jak krzyżowym niestabilności .
Liczne eksperymenty w ostatnich dziesięcioleci wykazały, że zakres obszaru wzmacniającego, a tym samym położenie punktu przejścia na powierzchni ciała, jest silnie zależny nie tylko od amplitudy i / lub częstotliwości od zakłóceń zewnętrznych, lecz również od ich natury fizycznej , Niektóre z zaburzeń łatwo przenikać do warstwy granicznej podczas gdy inne nie. W związku z tym, pojęcie przejścia warstwa graniczna jest złożona i nadal brakuje pełną ekspozycję teoretycznej.
Tryb podstawowy wzrost
Jeżeli początkowe, dla środowiska generowane zakłócenia są wystarczająco małe, następnym etapem procesu jest to, że przejście z trybu wzrost pierwotnego. W tym stadium początkowe zaburzenia wzrostu (lub rozkładu) w sposób opisany przez liniową teorii stabilności . Konkretne niestabilności, które są eksponowane w istocie zależą od geometrii problemu oraz charakteru i amplitudy pierwszych zakłóceń. Całej gamy liczb Reynoldsa w danej konfiguracji przepływu, najbardziej powielone tryby mogą i często różnią.
Istnieje kilka głównych rodzajów niestabilności, które powszechnie występują w warstwach granicznych. W poddźwiękowe i na początku przepływu naddźwiękowych dominujące niestabilności dwuwymiarowe TS fal. Dla przepływów, w którym trójwymiarowa warstwa graniczna rozwija taki jak skośnym skrzydłem The krzyżowym niestabilność staje się ważne. Dla przepływów nawigacyjnych powierzchnię wklęsłą krzywiznę, wiry Görtler może stać się dominującym niestabilności. Każda niestabilność ma swoje korzenie fizycznych i własny zestaw strategii kontroli - z których niektóre są przeciwwskazane przez inne niestabilności - dodanie do trudności w kontrolowaniu laminarny, turbulentny przejścia.
Proste harmonicznej dźwięk warstwa graniczna w fizyce przejścia turbulencji
Prosta harmonicznych dźwięku jako czynnik wytrącenie nagłe przejście od laminarnego na turbulentny przepływ może być nadana Elizabeth Barrett Browning. Jej wiersz, Aurora Leigh (1856), ujawnił jak nuty (bicie konkretnego dzwon), wywołane wahania turbulencji w uprzednio ustalonych płomieniach laminarny-przepływowych uliczne latarnie gazowe ( „... latarnie gazowe drżą na ulicach i placach” : Hair 2016). Jej natychmiast uznany wiersz mógłby ostrzeżone naukowcy (np Leconte 1859) wpływowi prosty harmonicznej (SH) dźwięk jako przyczyna zaburzeń. Współczesny poruszenie zainteresowania naukowego w tym celu zakończył Sir John Tyndall (1867) wnioskowanie, że szczególne dźwięki SH, skierowane prostopadle do kierunku przepływu miał fale, które zmieszane z podobnych fal SH powstającego w wyniku tarcia wzdłuż granic rur, wzmacniając ich i wyzwalanie zjawisko wysokiej odporności na przepływ turbulentny. Jego interpretacja ponownie pojawiły się ponad 100 lat później (Hamilton 2015).
Tollmien (1931) oraz Schlichting (1929) zaproponowali, że tarcie (lepkość) wzdłuż gładkiej płaskiej obwiednią utworzona warstwa graniczna SH (BL) oscylacje, które stopniowo zwiększa się amplituda aż turbulencji wybuchu. Chociaż współczesne tunele aerodynamiczne nie udało się potwierdzić teorię, Schubauer i Skramstad (1943) stworzył wyrafinowany tunel aerodynamiczny, że stłumione drgania i dźwięki, które mogłyby wpływać na badaniach przepływowych płaski tunelu aerodynamicznym. Potwierdziły one rozwój SH długich grzbietach oscylacji Bl dynamiczne fale ścinające przejścia turbulencji. Wykazały one, że określone drgania SH trzepotanie indukowane elektromagnetycznie do BL ferromagnetycznego wstęgi może wzmacniać podobny przebieg indukowanego SH BL trzepotanie (BLF) fal wytrącenie turbulencje przy znacznie niższych natężeniach przepływu. Ponadto, niektóre inne konkretne częstotliwości zakłócać rozwój fal SH BLF, zachowywania przepływu laminarnego do większych natężeń przepływu.
Oscylacje masy w płynie jest wibracja wytwarza falę dźwiękową. SH BLF oscylacje warstwy przyściennej płynu wzdłuż płaskiej płyty musi wytwarzać dźwięk SH, które odbija się od granicy prostopadłą do warstewek płynu. Pod koniec przejścia, Schubauer i Skramstad znaleźć ogniska wzmocnienia oscylacji BL, związane z seriami szumu ( „plamki”) turbulencji. Amplifikacja ogniskowej poprzecznego przechodzenia dźwięku pod koniec był związany z BL powstawania wiru.
Centralnym wzmocniony szum niespokojnych miejscach wzdłuż płaskiej płyty z dużą energią drgań cząsteczek prostopadle przez blaszek może nagle spowodować miejscowe zamrożenie poślizgu laminarnym. Nagłe hamowanie „zamrożone” plamy płynu będzie przenosić odporność na wysoką odporność na granicy, a może wyjaśnić head-over-obcasy BL wiry późnego przejścia. Osborne Reynolds opisano podobne miejsca turbulentny w czasie przejścia przepływu wody w cylindrach ( „błysków turbulencji”, 1883).
Kiedy wielu przypadkowych wiry wybuchają jak początkami turbulencji, uogólnionego zamrożenia poślizgu laminarny (warstwowy blokującego) wiąże się z hałasem i dramatyczny wzrost odporności płynąć. Może to również wyjaśnić paraboliczny profil isovelocity przepływu laminarnego gwałtownie zmieniającą się do spłaszczonej profilu przepływu burzliwego - jak poślizg laminarny zastępuje laminarny blokujące jak wybucha turbulencji (Hamilton 2015).
niestabilności wtórne
Głównymi same tryby rzeczywistości nie prowadzą bezpośrednio do awarii, ale zamiast doprowadzić do powstania wtórnych mechanizmów niestabilności. Jako podstawowe tryby rosną i zniekształcają średni przepływ, zaczynają wykazywać nieliniowości i teorii liniowej nie ma już zastosowania. Komplikuje sprawę jest wzrost zakłóceń przepływu średnia, która może prowadzić do punktów przegięcia profilu prędkości w sytuacji przedstawionej przez Lorda Rayleigha wskazuje absolutną niestabilność w warstwie granicznej. Te wtórne niestabilności szybko doprowadzić do awarii. Te wtórne niestabilności są często znacznie wyższe częstotliwości niż ich liniowych prekursorów.