是什么物理机制导致在湍流中比在层流中摩擦系数更高?

时间:2021-08-18 09:18:35   作者:
摩擦力是一种力,它使机械能耗散并转化为热。在流体中,它是反对流动的力,导致压力/能量的损失。注意,压力是【单位体积的能量】,因为压力=力/单位面积= *长度/面积* =能量/单位体积。当【分子】的有组织运动从一条直线变成一条混乱的路径时,损失的压力/能量就变成了热量。

在层流中,可以通过实验观察到各层流体相互平行移动。由于壁面和流体之间的粘附力,壁面和流体分子之间的力倾向于在相邻层停止这种运动。接下来的图层也会受到影响——这次是受到流体分子本身之间的分子力的影响,当你离开墙壁时,其他图层也是如此。其结果是速度逐渐下降,从一个较高的值-主流速度,到零在壁面。从壁面到单位正常距离的速度减少是一个常数,并随着流体(层流)粘度的增加而增加。粘度本身是一个集总,或一个经验数字,量化流体阻力——也就是说;它将动能转化为热能的能力。如果你对速度变化的恒定速率进行积分,你就会得到层流的“抛物线”速度剖面。粘度被看作是流动的阻尼因子,以不失调和落在线的形式的层。由于分子力随分子距离的减小而增大,粘度随温度而减小,但随密度而增大。

是什么物理机制导致在湍流中比在层流中摩擦系数更高?

在湍流中,也会发生类似的过程。但是,由于动态力(动能含量)比粘性力大,流体层不会垂直下落,并开始形成局部圆周运动/涡流。这些力的比率由一个叫做雷诺数的价值数字给出。它是动力(由密度、速度和直径的乘积给出)与(层流)粘度给出的粘性力的比率。这是一个无因次的数字,也描述了流的类型。对于低数字(<2000),流动是层流,对于数字>3000,流动是紊流和中间,流动是不稳定的,在两幅图之间跳跃。

在流动中的圆周运动并不影响主要的流量-如果你愿意,它只是一个局部流动。涡旋内部的圆周运动在其外部边缘有其最大的流动速度,从那里它获得了它存在的能量,而在它的中心速度为零。涡流内部和外部区域之间产生的速度梯度由于粘性而导致摩擦和进一步的能量损失。由此可见,在湍流中,除了运动层之间的损失外,涡流内部也有损失。结果损失成为速度平方的函数,而不是像层流那样与速度成线性关系。如果粘度接近于零,就不可能产生紊流。

出于实际原因和与层流相似的原因,可以定义一个有效的紊流粘度作为抵抗流体流动的操作因素。这种流动阻力不是恒定的,并且随着雷诺数的增加而增加,因为涡流的数量增加了,而涡流的尺寸减小了。大的涡流分裂成更小的涡流,然后再进一步分裂,如此循环,直到能量足够小,流回到非常小的涡流内部的层流中!当平均速度剖面的主要流动测量,这是发现在零速度在墙上,然后形成层流层非常短的距离(称为层流子层),就变成了近常数(在统计均值)流的其余部分远离墙壁。当它完全形成时(高雷诺数),湍流在任何方向上都是均匀的。对于湍流的详细描述,请参阅湍流等。推荐文章:当y轴上的力增加时,为什么动摩擦力增加?

在实际应用中,流体流动中的压力损失采用一个摩擦系数来集中计算,该摩擦系数表示与局部动压(单位体积动能;5 m v / v = ^ 2。5ρv ^ 2)。因此压力损失可以写成;损失= k0.5 ρ v^2。假设这适用于层流和紊流,K=f L/D。对于层流,f=64/Re,其中m为质量,v为速度,v为体积,ρ密度,L为管道长度,D为管道直径,f为层流的摩擦系数,Re为雷诺数=ρ vD/µ。注意,由于分母中有一个v ,在压力损失的公式中,层流的v^2变成了v,而湍流的v^2保持不变。对于几乎相同的流动,但在湍流模式下,最低(光滑管道)f=。05,详见穆迪图表(见下)。请注意,在同一图表中,例如,当Re=10^7时,摩擦力降为f=0.08。这是由于薄层流子层对管道的屏蔽作用。然而,总的损失是层流的许多倍,因为压力损失达到v^2如上所述。

是什么物理机制导致在湍流中比在层流中摩擦系数更高?

K的值在紊流流动是作为数,10为全球淡水河谷在管道或0.1弯曲,或经验公式或图表的形式给出的直管流-使用图表被称为穆迪图或用方程做同样的工作看到达西-韦史巴赫方程,喜怒无常的图表

还应该注意的是,虽然湍流的损失更高,但在某些情况下,湍流比层流要好。最引人注目的例子是机翼设计。如果气流是层流,靠近机翼本体的层流能量很小,就会停止运动,导致气流从机翼上分离出来,沿着机翼本身的形状流动,而不是按照精心设计的机翼形状流动。这很容易造成失速。在某些情况下,这是通过故意在路径上放置小的粗糙度来产生紊流,并增加机翼邻近层的能量,这样流动就不会停止,破坏机翼周围的流动廓线。对于任何对这门学科感兴趣的人来说,这都是一门迷人的学科。你可以从这里开始边界层控制。
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