Prehod iz laminarnega v turbulentni tok v cevi

Download Report

Transcript Prehod iz laminarnega v turbulentni tok v cevi

Prehod iz laminarnega v
turbulentni tok v cevi
Boštjan Jenčič
Mentor: Iztok Tiselj
Ljubljana 22.5.2012
Vsebina
• Uvod
• Navier-Stokesove enačbe
– Opis
– Laminarni tok
– Turbulentni tok
• Lastnosti turbulenc
• Prehod iz laminarnega v turbulentni tok v cevi
Uvod
• Tok v cevi je lahko laminaren, turbulenten, ali pa je kombinacija
enega in drugega
• Naravo toka je mogoče napovedati z reynoldsovim številom:
Re 
UD

 


• Delež turbulentnega toka se z Reynoldsovim številom povečuje, pri
določenem Re pa postanejo turbulentne motnje stalne
• Pri turbulentnem toku je efektivni pretok tekočine ter njeno mešanje
zelo različno kot pri laminarnem toku.
Navier-Stokesove enačbe
(

v




2
 v   v )   p    v  f
t

 v  0
•NS enačbe nam opisujejo dinamiko tekočin, ter so
izpeljane iz 2. newtnovega zakona.
•Uporabljajo se v meteorologiji, oceanografiji, energetiki,
letalski in avtomobilski industriji ipd.
•Kljub pogosti rabi pa matematikom še vedno ni uspelo
dokazati, da v 3D vedno obstaja rešitev, ter da v primeru
obstoja rešitev ne vsebuje nobenih singularnosti
Reynoldsovo število v NS enačbah
Če Navier-Stokesove enačbe nekoliko preoblikujemo,
opazimo, da vsebujejo Reynoldsovo število:

u


1
2
 u   u   1 P  F 
1 u
t
Re



v
D 
D
u 
F 
f
P
p
2
2
U
U
U
1  D
Sklepati je mogoče, da so vsi tokovi z enakim
Reynoldsovim številom primerljivi.
Laminarni tok
• Primer za okroglo cev
• Stacionaren tok
• NS enačbe se
poenostavijo na:

0   p    v
2
• Rešitev je oblike:

p
2
2
v 
( R  r ) eˆ z
4 l
Turbulentni tok
• Nestacionaren tok, kar naredi reševanje NS
enačb bolj težavno.
• Pri Re>Rec , tok ni več nujno laminaren.
• Problema se je prvi lotil Osbourne Reynolds, ki je
hitrostno polje ter tlačno razdelil na stacionarno,
ter na majhne fluktuacije.
 
 
 
v ( r )  v 0 ( r )  v1 ( r , t )



p ( r )  p 0 ( r )  p1 ( r , t )
• Ker veljajo NS enačbe za v(r) in v0(r), dobimo ob
upoštevanju kontinuitetne enačbe pogoj za v1:

 v1
t




 p1
2
 v 0   v 1  v1   v 0  
   v1

  v1  0
• Izkaže se, da ima lahko za Re~Rec motnja obliko:
 

 i t
v1 ( r )  g ( r ) e
   1  i 1
• Rešitev je stabilna takrat, ko velja γ1<0 (Re<Rec) , saj
motnja eksponentno ponikne s časom, ko pa je γ1 >0
(Re>Rec), bi velikost motnje morala naraščati v
neskončnost, čeprav se to ne zgodi. Taka rešitev je
nestabilna.
• Pri reynoldsovih številih malo večjih od Rec, za amplitudo
hitrosti v1 velja: A  Re  Re c
• Tok je torej mogoče opisati kot vsoto stacionarnega toka,
ter majhnega periodičnega toka:

 
 
 i ( t   )
v (r , t )  v0 (r )  f (r )e
1
1
• Pojavi se prost parameter β1 , ki ga določajo začetni
pogoji.
• Pri večjih Re-Rec je hitrostno polje smotrno zapisati kot periodični tok
v celoti:
 
v (r , t ) 
p

  i ( t   ) p
Ape 1 1
p  
• Z nadaljnjim večanjem Re periodični tok dokončno postane
nestabilen. Periodični hitrosti v dodamo majhno korelacijo v2:
 

i (   i ) t
v2   ( r , t )e 2 2
• Ψ ima periodo 2π/ω1
• Ko se Re še povečuje se pojavljajo še novi tokovi na vedno manjši
skali. Končni rezultat je tok, ki mu pravimo turbulenten in ima obliko:
 
v (r , t ) 
p 1 , p 2 ,..., p n  

p 1 , p 2 ,..., p n  
jn
A p1 , p 2 ,...,

(
r
) Exp [  i  p j ( j t   j )]
pn
j 1
Popolno razvita turbulenca
• Ob robovih še vedno tanka plast
laminarnega toka, po večini cevi pa je
povprečna hitrost enaka.
• Turbulentni tok je lažje obravnavati
statistično kot deterministično, zaradi
velikega števila prostih parametrov.
• Analogija: Makroskopsko telo, pri
katerem ne poznamo začetnih
položajev ter gibalnih količin vsake
molekule.
• Popolno razvito turbulenco je mogoče opisati
kot superpozicijo vrtincev različnih velikosti.
• Najprej se pojavijo večji vrtinci, nato z nadalnjim
večanjem Re vedno manjši.
• Vsakemu vrtincu lahko pripišemo lastno Re:
Re  
v 

• Pri večjih vrtincih je Reλ večji, kar ustreza
manjši efektivni viskoznosti, do izgub energije
pride večinoma pri manjših vrtincih.
Lokalna turbulenca
• Vrtinci, katerih velikosti λ so mnogo manjše od velikosti prvotnih
vrtincev L.
• Izguba energije na enoto časa in mase je:
3
v
 

• Fluktuacija hitrosti je sorazmerna tretjemu korenu velikosti vrtinca
v   u (

1
)3
L
4
R 

3
1
L
3
u  R (

L
4
)3
• Pri najmanjših vrtincih velikosti λ0, mora veljati
Reλ~Rec, iz tega lahko dobimo velikost
najmanjših možnih vrtincev v toku:
0  (
Re c
3
)4 L
Re
• Število prostih parametrov na enoto volumna
lahko ocenimo na:
n
N

V
N (
1
0
9
Re
Re
3
)4
c
(
9
Re
Re
)
c
4
1
L
3
Prehod v turbulentno stanje
• Pri Reynoldsovih številih v okolici Rec , se v sicer
laminarnem toku pojavljajo posamezne turbulentne
motnje z značilno dolžino ~20D.
• Motnja nastane pod pogojem, da v tok vnesemo majhno
perturbacijo, ki spremeni profil hitrostnega polja.
• Ob popolnoma gladkih ceveh je mogoče doseči
laminaren tok tudi pri Re ~105.
Prikaz turbulentne motnje
• Najmanjša amplituda perturbacije, ki je potrebna za
nastanek turbulentne motnje je sorazmerna z Re-σ.
• Perturbacijo je pri eksperimentu mogoče doseči na več
načinov, npr. z pravokolno vbrizganim curkom ali tanko
žičko.
• Ugotovljeno je, da imata oblika in amplituda perturbacije
zanemarljiv vpliv na življenjski čas turbulentne motnje.
Perturbacija v toku zaradi
pravokotno vbrizganega
curka
• Čas obstoja posamezne turbulentne motnje je odvisen le
od Re, ter se ob naraščanju Re podaljšuje eksponentno
ali hitreje, vendar ne divergira.
• Ugotovljeno je bilo, da se motnja poleg tega da razpade,
lahko tudi razcepi na dve enako veliki motnji, zato se
turbulenca sploh lahko ohranja
Proces razcepa turbulentne motnje
Določanje Rec
• S pravokotno vbrizganim curkom
laminarni tok izmaknemo iz ravnovesja,
ter povzročimo turbulentno motnjo
• Nato z dvema tlačnima senzorjema
spremljamo motnjo
• Prvi senzor je postavljen blizu (50D od
nastanka perturbacije) in nam pove, ali
je res nastala natanko ena turbulentna
motnja
• Drugi senzor pomikamo po cevi, ter
merimo število izmerjenih motenj.
A-zaznani dve motnji
B-zaznana ena sama motnja
• Razcep in razpad motnje sta naključna procesa(podobno kot razpad
jedra)
• Verjetnost za razpad:
S (t )  1  e
t 1
• Verjetnost za razcep:
P (t )  1  e
 ( t  t0 )  2
Verjetnost da se motnja ne razcepi v odvisnosti od časa
Točka prehoda je pri Re~2040
• Pri večjih Re(>2300), se
turbulentne motnje ne
cepijo več diskretno,
temveč se širijoturbulence se
‘’delokalizirajo’’
A-Re=2300
B-Re=2450
Povzetek
•
•
•
•
•
Lastnosti Navier-Stokesovih enačb
Laminarni tok v NS enačbah
Turbulentni tok v NS enačbah
Lastnosti turbulentnega toka
Eksperimentalni prikaz prehoda toka iz
laminarnega v turbulentni, ter določitev
točke prehoda
Viri
[1]http://en.wikipedia.org/wiki/Navier%E2%80%93Stokes_e
quations
[2] Landau, Lifshitz: Course of theoretical Physics, volume
6: Fluid Mechanics
[3] Avila K.: The onset of turbulence in pipe flow: Science
333 (2011), str.192
[4] Busse F.H.:Visualizing the dynamics of the onset of
turbulence: Scoence 305 (2004), str 1574