Ламинарный поток воды как это: Ламинарный поток

Разное

24.10.2020
Комментарии: 0

Содержание

Ламинарный поток

Отвлечемся немного от предыдущих записей, да, я помню что обещал рассказать подробно про очистку фильтров, однако, текст мне видится длинным, потому предлагаю сегодня обсудить ламинарные потоки, тем более что это довольно красивая тема, ну а в следующих уж точно будут фильтры.

Когда жидкость или газ течет равномерно и без турбулентности, это называется “ламинарный поток”. Наиболее наглядным примером ламинарного потока для большинства из нас будут дугообразные потоки воды в фонтане, когда массой кристально чистой воды выстреливают, как пулей, и она изящно летит рассекая воздух из одной точки в другую.

Домен самарского производителя фонтанов здесь возможен

Когда я впервые увидел этот эффект в рекламном ролике парка Disney World много лет назад, я был уверен, что они добавили что-то к воде (может, глицерин?). Теперь я знаю, что все это делается путем создания ламинарного потока. Наиболее удивителен даже не сам полет воды в воздухе, а то, что нет никаких брызг, когда вода приземляется на другом конце.

В промышленном клининге, отсутствие всплесков и летящих во все стороны брызг, может стать значительным доводом в пользу применения ламинарного потока. Давайте копать немного глубже.

Кстати, просто для удовольствия, попробуйте выполнить описанное выше при помощи садового шланга.
Ламинарный поток в трубе или патрубке означает, что вся жидкость однородной массы и все ее частицы движутся с одинаковой скоростью в одном направлении.

Верхний рисунок показывает ламинарный поток через трубку или трубки. Обратите внимание, что поток прямой и равномерный, как в трубке, так и после выхода. А на нижнем рисунке образубтся турбулентные течения в результате неравномерного стока и шероховатой поверхности.

Ламинарный поток возможен не только в трубах или после них, но и практически в любом ограниченном пространстве, таком как – цисцерны, трубопроводы, печи, и т.п. Ламинарный поток является важным дополнением в нескольких направлениях промышленного клининга. Например, он очень важен там, где необходим эффективный обмен воды и важно свести к минимуму ее потребление.

В клининге, ламинарный поток может уносить загрязнения с места очистки, туда где они могут быть эффективно собраны путем фильтрации и утилизированы в другом, еще более удобном месте. В случае очистки помещений, ламинарный поток воздуха позволяет продуть всю комнату, избавив ее от возможных примесей и газов. Давление и скорость — главные враги ламинарного потока в жидкостях и газах. Даже незначительные дефекты поверхностей, содержащих поток, могут привести к турбулентности в случае давления и высокой скорости в трубе. Поэтому очень важны гладкие стенки патрубков. Трубопроводы и трубки должны быть как можно более линейными. Насадки и вентиляторы перед местом где нужен ламинарный поток, абсолютно противопоказаны. При Линеаризации потока, как правило, требуется устройство для его выпрямления. В случае газа, ламинарный поток может быть получен путем пропускания газа через серию параллельных трубочек. Важно при генерировании ламинарного потока убедиться, что он правильно получен. Любое препятствие для потока создаст турбулентность.

В случае жидкостей существует ряд схем для получения ламинарного потока. В клининге, ламинарный поток обычно требуется в резервуаре. Использование только сопел (независимо от того, сколько их) не позволит выполнить эту работу. Успешное создание ламинарного потока может быть достигнуто с помощью пористого металла, или пластинки из металла или пластика внутри потока. В любом случае, вся боковая стенка должна составлять источник, а не только небольшое окно. Объем жидкости удаленнной из резервуара, должен совпадать с объемом жидкости введенной в резервуар, так можно избежать появления турбулентности.

При проектировании моечных машин, ламинарный поток это не то что следует оставлять без внимания или к чему следует подходить без хорошего понимания принципов механики, участвующей в процессах. Это, немного сложнее, чем кажется, и полностью противоречит здравому смыслу, но, при правильном использовании, может быть очень эффективным инструментом.

Ламинарный поток воды – Docsity

Ламинарный поток воды Перед тем как преступить к изучению данной темы, мне было очень интересно узнать, как же выглядит ламинарный поток воды: https://thclips. com/video/NsRhFytRRpc/ламинарный-поток-воды.html Принципы работы Режим движения определяется соотношением сил инерции и трения в потоке. Причем эти силы всегда действуют на жидкие макрочастицы при их движении в составе потока. Хотя это движение может быть вызвано различными внешними силами например силами гравитации и давления. Соотношение этих сил отражает критерий Рейнольдса, которое является критерием режима течения жидкости. При низких скоростях движения частиц жидкости в потоке преобладают силы трения, числа Рейнольдса малы. Такое движение называется ламинарным. При высоких скоростях движения частиц жидкости в потоке числа Рейнольдса велики, тогда в потоке преобладают силы инерции и эти силы определяют кинематику и динамику частиц, такой режим называется турбулентным А если эти силы одного порядка (соизмеримы), то такую область называют – область перемежания. Видео-объяснение: https://www.youtube.com/watch?time_continue=163&v=05Dh76C6PlU Вид режима, в значительной мере, влияет на процессы происходящие в потоке, а значит и расчетные зависимости. Ламинарный режим течения жидкости Схема установки для иллюстрации режимов течения жидкости показана на рисунке. Жидкость из бака по прозрачному трубопроводу через кран поступает на слив. На входе в трубу установлена тонкая трубка по которой в центральную часть потока поступает красящее вещество. Если немного приоткрыть кран, жидкость начнет протекать по трубопроводу с небольшой скоростью. При введении красящего вещество в поток можно будет увидеть как токая струйка красящего вещества в виде линии протекает от начала трубы до ее конца. Это свидетельствует о слоистом течении жидкости, без перемешивания и вихреообразования, и преобладании в потоке сил инерции. Такой режим течения называется ламинарным. Ламинарный режим – слоистое течение жидкости без перемешивания частиц,без пульсации скоростей и давлений, без перемешивания слоев и вихрей. При ламинарном течении линии тока параллельны оси трубы, т.е. отсутствует поперечные потоку жидкости перемещения. преодоления некоего критического значения (для различных условий оно разное), названного числом Рейнольдса, режимы течения жидкости меняются: струйный поток становится хаотичным, вихревым – то есть, турбулентным. Как оказалось, эти параметры в определенной степени свойственны и газам. Практические расчеты английского ученого показали, что поведение, например, воды, сильно зависит от формы и размеров резервуара (трубы, русла, капилляра и т.д.), по которому она течет. В трубах, имеющих круглое сечение (такие используют для монтажа напорных трубопроводов), свое число Рейнольдса – формула критического состояния описывается так: Re = 2300. Для течения по открытому руслу число Рейнольдса другое: Re = 900. При меньших значениях Re течение будет упорядоченным, при больших – хаотичным. Отличие ламинарного течения от турбулентного состоит в характере и направлении водных (газовых) потоков. Они перемещаются слоями, не смешиваясь и без пульсаций. Другими словами, движение проходит равномерно, без беспорядочных скачков давления, направления и скорости. Ламинарное течение жидкости образуется, например, в узких кровеносных сосудах живых существ, капиллярах растений и в сопоставимых условиях, при течении очень вязких жидкостей (мазута по трубопроводу). Чтобы наглядно увидеть струйный поток, достаточно немного приоткрыть водопроводный кран – вода будет течь спокойно, равномерно, не смешиваясь. Если краник отвернуть до конца, давление в системе повысится и течение приобретет хаотичный характер. Турбулентное течение В отличие от ламинарного, в котором близлежащие частицы движутся по практически параллельным траекториям, турбулентное течение жидкости носит неупорядоченный характер. Если использовать подход Лагранжа, то траектории частиц могут произвольно пересекаться и вести себя достаточно непредсказуемо. Движения жидкостей и газов в этих условиях всегда нестационарные, причем параметры этих нестационарностей могут иметь весьма широкий диапазон. Как ламинарный режим течения газа переходит в турбулентный, можно отследить на примере струйки дыма горящей сигареты в неподвижном воздухе. Вначале частицы движутся практически параллельно по неизменяемым во времени траекториям. Дым кажется неподвижным. Потом в каком-то месте вдруг возникают крупные вихри, которые движутся совершенно хаотически. Эти вихри распадаются на более мелкие, те – на еще более мелкие и так далее. В конце концов, дым практически смешивается с окружающим воздухом. Ламинарное и турбулентное течение свойственно всем видам жидкостей и газов в разных условиях. В природе ламинарные течения встречаются редко и характерны, например, для узких подземных потоков в равнинных условиях. Гораздо больше этот вопрос волнует ученых в контексте практического применения для транспортировки по трубопроводам воды, нефти, газа и других технических жидкостей. Взято с : https://znaivse.biz/obrazovanie/laminarnyj-potok-vody-29-04-2019.html Видеоролики с интересными фактами и опытами: https://www.youtube.com/watch?time_continue=223&v=9iS3o2ri3IQ https://www.youtube.com/watch?time_continue=387&v=p-WJo8WxQWM У многих даже получилось выстроить конструкцию, создающую ламинарный поток: https://www.youtube.com/watch?time_continue=202&v=HBeQkX0WzCo http://smotrikak.ru/kak-sdelatj-laminarniy-potok-vodi-svoimi-rukami

Немного о турбулентности

Эта статья будет интересна новичкам, которые хотят больше узнать о турбулентном течении и подводных камнях, встречающихся при его моделировании в программных комплексах. Мы рассмотрим:

Введение

Начнем с определения турбулентности П. Брэдшоу:

Турбулентность – это трехмерное нестационарное движение, в котором вследствие растяжения вихрей создается непрерывное распределение хаотических пульсаций параметров потока (скорости, давления и т.д.) в интервале длин волн от минимальных, определяемых вязкими силами, до максимальных, определяемых граничными условиями течения.

Иными словами: турбулентное течение – это поток, движение которого беспорядочно во времени и пространстве.

Как изображал турбулентное течение Леонардо да Винчи

Ламинарное течение, в отличие от турбулентного, упорядочено. Среда в таком течении перемещается слоями, без перемешиваний и пульсаций. На рисунке ниже представлен ламинарно-турбулентный переход в потоке: во время перехода возникают процесы интенсивного перемешивания и вихреобразования.


Изменение характера течения с ламинарного на турбулентное 

Профили скорости ламинарного и турбулентного потока

Рассмотрим течение в трубе круглого сечения и бесконечной длины.

Жан Луи Пуазёйль определил, что ламинарное течение имеет параболический профиль скорости. При переходе к турбулентному режиму течения профиль скорости изменяется до некоторого другого вида. Изменения профиля скорости вызваны инерционными силами, действующими на частицы в потоке.  Другими словами, профиль скорости турбулентного потока в трубах или каналах характеризуется быстрым возрастанием скорости у стенок и меньшей кривизной в центральной части течения.

    Ламинарное течение в трубе                                           Турбулентное течение в трубе

 

Профили скоростей для ламинарного и турбулентного течения

За исключением тонкого слоя около стенки для турбулентного течения профиль скорости описывается логарифмическим законом (то есть скорость линейно зависит от логарифма расстояния до стенки).

Число Рейнольдса

Обычно, когда говорят о турбулентном течении, сразу вспоминают число Рейнольдса (Re). По сути, это отношение сил инерции к силам вязкого трения.

Здесь ρ – плотность, V – скорость, l – характерный геометрический размер, μ – динамическая вязкость среды (табличное значение).

Для потока, характеризующегося малым числом Рейнольдса, течение, в основном, будет зависеть от вязкостных сил. При высоких числах Рейнольдса влияние инерционных сил преобладает, вследствие чего и возникают завихрения.

Для определения границы между ламинарным и турбулентным течением вводится понятие критического числа Рейнольдса (Reкр):

  • Характерное Re < Reкр – течение ламинарное
  • Характерное Re > Reкр – течение турбулентное

Критическое значение числа Рейнольдса для разных сред отличатся:

  • для воды: Reкр ~ 2200
  • для воздуха: Reкр ~ 105

Где в реальной жизни возникают турбулентные течения

Как было отмечено выше, турбулентный поток отличается от ламинарного не только профилем скорости, но и наличием интенсивного вихреобразования.

Поэтому явление турбулентности существенно влияет на результаты расчёта и его обязательно нужно учитывать.

Области приложения для турбулентности бесконечны: авиастроение, автомобилестроение, судостроение  – моделирование движения воздуха около самолетов/автомобилей/судов, вентиляция и кондиционирование – моделирование потоков воздуха в комнатах, помещениях, вентиляционных шахтах, салонах самолетов и автомобилей; отдельную обширную область представляет биомеханика – моделирование тока крови в камерах сердца, моделирование течения крови вокруг клапанов сердца и т.д. 

Моделирование турбулентности

Существует три основных подхода для математического описания турбулентного течения:

  • Direct Numerical Simulation (DNS) – прямое численное моделирование;
    В рамках этого подхода расчёт турбулентных течений происходит путем прямого решения уравнений Навье-Стокса. Для моделирования используются трехмерные нестационарные уравнения, независимо от характера течения.
    Данный подход требует достаточно точного разрешения расчетной сеткой всех областей, в которых происходит вихреобразование, поэтому его применение ограничивается производительностью вычислительной техники. Шаг сетки в этом случае должен быть порядка Колмогоровского масштаба.

Понятие Колмогоровского масштаба

По гипотезе Колмогорова можно оценить нижнюю границу величины структур, участвующих в процессе диссипации энергии.
Масштаб ηĸ, названный Колмогоровским, характеризует линейные размеры структур, на которые вязкость еще оказывает существенное влияние.

, где ν – кинематическая вязкость, ε – диссипация энергии.

  • Large Eddy Simulation (LES) – моделирование крупных вихрей;

    Этот подход занимает промежуточное положение между DNS и RANS подходами. В нем применяется фильтрация характеристик турбулентного течения от коротковолновых неоднородностей – то есть решаются осредненные уравнения Навье-Стокса (как и в RANS), но осреднение происходит по областям с размерами порядка размера фильтра. После проведения процедуры фильтрации, формируется система осредненных уравнений Навье-Стокса, применимая к областям с размерами больше фильтра. Осредненные уравнения замыкаются при помощи «подсеточной» модели турбулентности. При расчёте турбулентного течения с помощью LES подходов вихревые структуры с размерами, превышающими размеры фильтра (расчетной сетки), разрешаются точно, а меньшие вихревые структуры моделируются.
  • Reynolds Averaged Navier-Stokes (RANS) – подходы, основанные на осреднении уравнений Навье-Стокса по числу Рейнольдса. Чтобы учесть потерю энергии на вихри, которые не разрешены расчетной сеткой, вводят понятие осредненной скорости (подробнее это описано ниже). При осреднении уравнений возникает новая неизвестная – Рейнольдсово напряжение, из-за которой нельзя решить уравнение Навье-Стокса совместно с уравнением неразрывности. Поэтому для замыкания системы уравнений (для определения  Рейнольдсового напряжения) дополнительно вводятся  модели турбулентности.

Модель турбулентности – математическая модель, позволяющая описывать с той или иной точностью поведение потока. Применительно к RANS-подходам модель турбулентности – это совокупность дополнительных уравнений, призванных замкнуть систему уравнений Навье-Стокса после того, как её осреднили по Рейнольдсу.

Модели турбулентности отличаются константами, которые заложены в эти модели, а также определением турбулентной вязкости. Константы преимущественно эмпирические и их подбирают под особенности конкретной решаемой задачи. Модели турбулентности могут включать от одного до нескольких замыкающих уравнений и чем больше уравнений, тем больше требуется вычислительных ресурсов.

RANS подход позволяет получить только осредненный поток и описать его, если имеются пульсации скорости вокруг некоторого среднего значения. Такой подход позволяет получать хорошие результаты на грубой сетке. С помощью LES подхода можно разрешить вихри, влияющие на характер течения. Результаты такого расчета будут более точными, однако потребутся большее число расчетных ячеек и меньший шаг по времени. Для разрешения всех вихрей и пульсаций необходимо решать задачу напрямую (DNS): создать мелкую сетку, размер ячеек которой будет составлять несколько ячеек на каждый вихрь. Шаг по времени, соответственно, должен быть таким, чтобы период вращения вихря был также разрешен по времени на несколько шагов. Этот подход чрезвычайно ресурсоемок и редко применяется в инженерных расчетах.


Разница подходов на примере графика скорости потока

Основные понятия

 Диссипация энергии

Перенос энергии в турбулентном потоке происходит каскадным образом: энергия поступает от осредненного потока к наиболее крупным вихрям и далее последовательно передается всё более и более мелким вихревым структурам. В итоге она доходит до сверхмаленьких вихрей (имеющих Колмогоровские масштабы). Они диссипируют кинетическую энергию и передают её в тепловое состояние.

Каскадный перенос энергии в потоке

Пульсации

Переход от ламинарного к турбулентному течению характеризуется вихреобразованием. Результатом хаотического движения частиц, участвующих в турбулентном перемешивании, являются пульсации их скорости. Поэтому при использовании RANS-подхода к моделированию турбулентности проекции скорости можно разделить на среднюю составляющую и пульсационную добавку:

Пульсационное движение частиц, в свою очередь, является источником пульсации давления, температуры, плотности. Мерой интенсивности пульсации служит степень турбулентности потока.

Перенос импульса, идущий через вихри, учитывается за счет добавочной турбулентной вязкости. Если подставить выражения для осредненных скоростей в уравнение Навье-Стокса и преобразовать, то в итоге некоторые члены обнулятся, но останется произведение средних и произведение пульсационных составляющих. Произведение пульсационных составляющих – новая неизвестная – носит название Рейнольдсово напряжение, из-за которой нельзя решить уравнение Навье-Стокса вместе с уравнением неразрывности. Поэтому систему уравнений нужно замыкать.

Для этого была введена гипотеза Бусинеска: рассматривать Рейнольдсово напряжение примерно так же, как и напряжения на трение, которые связаны с вязкостью, т.е. как некую вязкость, умноженную на деформацию потока. Поэтому появляется новая переменная – турбулентная вязкость, которая дает возможность учитывать дополнительный интегральный эффект от вихрей, хотя они и не разрешаются сеткой.

кинетическая энергия турбулентности

Понятие кинетической энергии турбулентности (k) введено Прандтлем и является, по сути, удельной кинетической энергией вихрей в турбулентном потоке или среднеквадратичной пульсацией скорости.

 

Прандтль заметил, что если рассмотреть пульсацию по оси у в потоке, который идет турбулентными слоями с вихрями, то она такая же, как и по оси х. Вихрь может изменять свой градиент по скоростям и пропорционален масштабу турбулентности. В качестве масштаба турбулентности было предложено рассматривать длину пути перемешивания вихря.

взаимодействие потока со стенкой – Что такое Y

+

Если рассмотреть картину снимков течения рядом со стенкой, то оно похоже на ламинарное – все движется слоями, далее появляются вихри, их количество увеличивается и в ядре потока наблюдается уже турбулентное течение.

Рассматривая координату удаления от стенки в координатах (x,y), можно видеть различные области пограничного слоя. В нем выделяют:

  • вязкий подслой, где наблюдается абсолютно ламинарное течение.
  • буферный слой – зона перемешивания, где начинает оказывать влияние число Рейнольдса и появляется турбулентный поток.
  • турбулентное ядро (инерционный слой и верхний слой ПС) – развитие турбулентного слоя, где силы вязкости и влияние стенки уже незначительны.

Схема расположение слоёв в пограничном слое

Рассматривая профиль скорости в безразмерных координатах, можно определить ряд величин, описывающих течение в пограничном слое:

  • безразмерная скорость, равная отношению локальной скорости к динамической, определяемой только касательным напряжением на стенке.

безразмерная скорость: динамическая скорость:

  •  безразмерная координата Y+ – расстояние до стенки приведенное к безразмерному значению за счёт скорости динамического трения. Параметр Y+ можно рассматривать как локальное число Рейнольдса в ячейке.

безразмерное расстояние до стенки:

Если центр первой ячейки находится в зоне, где  Y+< 5, то речь идет про вязкий подслой, то течение ламинарное – профиль представляет собой параболу и в логарифмических координатах также парабола. Если 5 < Y+ < 15, то это зона перемешивания – в этом месте нужно сшить два профиля: один ламинарный, второй – турбулентный. Если Y+ > 30, то это зона турбулентности – в логарифмическом законе прямая линия. В зависимости от того, в какой области находится , должны быть приняты соответствующие подходы к моделированию этой пристеночной области. 

Два подхода к моделированию
Высокорейнольсовый подход

Характеризуется тем, что пристеночная область плохо разрешена сеткой и центр первой ячейки не попадает ни в вязкий, ни в буферный подслой (Y+ > 5).  В этом случае построена относительно грубая сетка и не известно, что происходит в области пограничного слоя. Тогда для расчета пристеночного течения применяются пристеночные функции.

Разрешение потока крупной расчетной сеткой. Точкой показан центр первой ячейки

Пристеночные  функции – это некоторые эмпирические  и полу-эмпирические зависимости, призванные определить профиль скорости в пристеночном слое.

Во FlowVision реализованы 2 модели пристеночных функций: WFFV (Wall Function FlowVision) и WFS (Wall Function Standard). Подробнее о пристеночных функциях здесь.

Низкорейнольдсовый подход

Реализуется в том случае, если центр первой ячейки лежит внутри пограничного слоя. В этом случае пристеночная область разрешена сеткой (Y+ < 1), центр первой ячейки заведомо находится в ламинарной зоне. В таком случае следует отказаться от применения пристеночных функций, потому что в центре каждой ячейки профиль скорости строится за счёт численного решения.


Разрешение потока мелкой расчетной сеткой у стенки 

Моделирование турбулентности во FlowVision

Модели турбулентности FlowVision

Во FlowVision реализованы 7 разных моделей турбулентности. Для своих задач Вы можете использовать одну из них:

  • KES (k-ε) – стандартная модель турбулентности. Её применение возможно только в высоко-рейнольдсовых расчётах (на относительно грубой сетке с пристеночными функциями).
  • KEAKN (Abe, Kondoh, Nagano) – низкорейнольдсовая модель, которую рекомендуется использовать в низко-рейнольдсовых расчётах (на сетке, разрешающей вязкий подслой около стенки, без пристеночных функций).
  • KEFV – модернизированная разработчиками FlowVision k-ε модель. KEFV модель можно использовать как в низко-рейнольдсовых, так и в высоко-рейнольдсовых расчетах. В первом случае ламинарный подслой разрешается сеткой (пристеночные функции не используются), во втором случае ламинарный подслой не разрешается (используются пристеночные функции). Данная модель удовлетворительно предсказывает положение ламинарно-турбулентного перехода на твердой поверхности. В низко-рейнольдсовых расчетах необходимо задавать турбулентность набегающего потока.
  • KEQ (квадратичная модель) – наиболее полная, но и наиболее «капризная» из всех моделей. В ней рассматривается особый элемент – элемент тензора завихренности. Данная модель применяется для особо закрученных завихренных потоков, за обратным уступом и может использоваться только в высоко-рейнольдсовых расчетах.  
  • SST (модель Ментера) – известна тем, что сочетает в себе и k-ε модель и k-ω модель, которая разработана для подходов разрешения пристенной области. В этой модели появляется новое значение – ω – удельная диссипация вихрей. В пристеночной области для этой модели решаются уравнения k-ω модели, а в области, удаленной от стенки – уравнения k-ε модели.
  • SA (модель Спаларта-Аллмареса) – однопараметрическая модель, которая была разработана для аэрокосмических приложений. Дает хорошие результаты для пограничных слоев, характеризующихся положительными градиентами давлений. Может быть применена как в как в низко-рейнольдсовых, так и в высоко-рейнольдсовых расчетах. Традиционно эта модель эффективно работает в низкорейнольдсовом случае. 
  • Sm (модель Смагоринского) – алгебраическая модель, не требующая решения конвективно-диффузионных уравнений. Sm модель можно использовать только в низко-рейнольдсовых расчетах на хорошей мелкой сетке.
Задание входной турбулентности во FlowVision

 Для учёта турбулентности во FlowVision, необходимо во вкладке Фазы задать физический процесс Турбулентность, выбрав одну из предложенных моделей турбулентности.

Выбор модели турбулентности в физических процессах

В качестве начальных условий (Препроцессор > Модели > Нач. данные) по турбулентности задаются пульсации и масштаб турбулентности. Эти параметры определяют степень турболизации потока. 

Пульсации:                                                       Масштаб турбулентности:

                                                 

Формулы для вычисления входных параметров пульсаций и масштаба турбулентности

Подробнее о задании входной турбулентности читайте в этой статье блога.

На граничных условиях при турбулентном течении задаются определяющие параметры: ТурбЭнергия и ТурбДиссипация. ТурбЭнергию можно задать как пульсации:ТурбЭнергия = Пульсации. А ТурбДиссипацию, как масштаб турбулентности: ТурбДиссипация = Масштаб турбулентности. 

Рекомендации для применения пристеночных функций во FV

Рекомендации по использованию пристеночных функций во FV определяется величиной Y+. Исходя из нее можно сформулировать рекомендации по применению моделей турбулентности и пристеночных функций. Однако, необходимо учитывать, что границы применимости моделей для разных задач могут изменяться.

По умолчанию в интерфейсе FV задаются равновесные пристеночные функции WFFV.

Об авторе

Author: Елена Овсянникова

Инженер технической поддержки

МГТУ им. Н.Э. Баумана. Экспертиза в областях: FSI, CFD, прочность


Что такое Ламинарные фонтаны воды – Знания

Что такое ламинарные фонтаны воды

Самый простой способ объяснить ламинар, вероятно, можно сказать, что это противоположность турбулентного потока. Турбулентный поток является наиболее распространенным типом потока, который вы увидите в природе. Белые водяные пороги в реке были бы крайним случаем турбулентного течения. Напротив, ламинарный поток представляет собой сверхплавкую текучую жидкость или газ. Полная реальность ламинарного потока состоит в том, что он означает, что все частицы воды текут точно параллельно друг другу, в одном направлении и, как таковые, не натыкаются друг на друга.

Преимущество ламинарных струй:

1) Его движение . .. но это не похоже на это
Поскольку ламинарный поток совершенно гладкий, путь потока всегда будет находиться в одном и том же месте. Традиционный фонтан будет качаться и распыляться, когда он откачивает воду, что делает очень очевидным, что вода движется, так как вы можете следить за отдельными капельками воды, когда они проходят по воздуху. Ламинарный поток абсолютно однородный и не колеблется, что означает, что теперь у вас есть отдельные капельки воды. Вода течет быстро, но ее трудно сказать. Это буквально выглядит как идеальная стеклянная арка, идущая от фонтана, идущего всю дорогу туда, где она поражает земли. (См. Рисунок выше)

2) Без всплесков
Поскольку поток воды настолько плавный, он не разрывается, когда он встречает другое тело воды или гладкий предмет. Если он попадет в пул воды, он исчезнет бесследно. Если вы положите гладкий шар на своем пути, он будет разворачиваться и обертываться вокруг мяча без разбрызгивания. Его действительно классный эффект, а также имеет смысл успокоить его!

Из этого момента, они теперь очень популярны, чтобы сделать для пешеходного туннеля в парках, зданиях, торговых площадках торговых центров и т. Д.

3) Он передает свет как волоконно-оптический кабель

Волоконно-оптический кабель представляет собой совершенно гладкую среду, которая передает свет от одного конца к другому. Совершенно гладкие стороны кабеля отражают свет внутри задней части кабеля, чтобы он не подпрыгивал вниз, пока он не достигнет другого конца. Ламинарный поток также имеет супер гладкие стороны и, следовательно, также будет отражать свет обратно внутри себя. Это означает, что если вы будете сиять достаточно ярким светом прямо в ламинарном потоке, он загорится полностью от конца до конца! Даже вокруг кривой! Светящийся блеск от внутреннего светодиода RGB, мы можем сделать его светодиодом высокой мощности с 3 светодиодами и 3 * 3W светодиодами.



Поток ламинарный – Справочник химика 21

    Через капилляр длиной 20 см и диаметром 2 мм за 4 с пропускается 10 см воды. Рассчитать необходимое давление и число Рейнольдса. Будет ли поток ламинарным  [c.357]

    Еще один случай сегрегированного потока — ламинарное движение жидкости, когда молекулярной диффузией и естественной конвекцией ожно пренебречь. Тогда можно разделить поток на ряд элементарных кольцевых слоев, движущихся без взаимного перемешивания.  [c.329]


    Для п-кратного повышения масштаба теплообменника с сохранением полного подобия следует в п раз увеличить его линейные размеры, но п-кратно уменьшить скорость потоков. Коэффициент теплопередачи в образце будет в п раз меньше, чем в модели. С технологической точки зрения это невыгодно. В практике используется преимущественно приближенное подобие. Как правило, приходится отказываться от геометрического подобия, заменяя его геометрическим родством, и гидродинамического подобия, заботясь лишь о том, чтобы -в модели и образце был одинаковый режим течения потоков (ламинарный или турбулентный). Следовательно, значения критерия Рейнольдса для модели и образца не будут одинаковы. Это относится и к критерию Нуссельта. [c.454]

    Пылевые камеры служат для удаления крупных частиц размером 50 мкм и более. Улавливание мелких частиц в таких камерах возможно лишь в том случае, если длина ее в 10—12 раз превышает высоту. Работа пылевых камер характеризуется отсутствием турбулентного режима движения потока (ламинарностью), равномерностью распределения поступающего воздуха по всему сечению входного отверстия, низкими скоростями в камере. [c.277]

    Х-4. Повторить решение примера Х-2, предположив, что поток ламинарный, а не турбулентный, как это принято в уравнении У-16. [c.352]

    Ответы а) реактор смешения б) реактор вытеснения независимо от того, является поток ламинарным или турбулентным. [c.132]

    Для потоков ламинарных и переходных перенос массы определяется критерием Архимеда, аналогичным критерию Грасгофа в теплопередаче  [c.47]

    Если Ке движение потока ламинарное, при 2300 режим переходный, а при Ке > 10 ООО — движение турбулентное. [c.600]

    Различают следующие режимы движения потоков ламинарный, когда Ке10 000 переходный, когда Ке изменяется в пределах 2300—10 000. Коэффициент теплоотдачи для каждого конкретного случая теплообмена находят в зависимости от режима движения теплообменивающихся потоков по формулам и номограммам, приведенным в специальной литературе по теплопередаче.  [c.164]

    Очевидно, условия теплопередачи в турбулентной зоне потока значительно лучше, чем в ламинарном слое. С увеличением скорости потока ламинарная зона уменьшается (хотя она и имеет ничтожно малую толщину, однако оказывает основное сопротивление тепловому потоку). Уменьшаться при этом, конечно, должна и толщина X эквивалентного слоя. Коэффициент же теплоотдачи а и интенсивность теплового потока д будут увеличиваться. [c.317]

    Очень часто гетерогенные реакции совершаются в потоке, т. е. жидкие или газовые реагенты омывают твердую поверхность. В этом случае скорость химической реакции зависит от скорости потока и его характера (ламинарный или турбулентный поток). Ламинарный поток — поток параллельных струй. Он не исключает диффузионных процессов, так как при этом на твердой стенке остается неподвижным слой жидкости большей или меньшей толщины. Турбулентный поток образует завихрения на стенке, и процесс диффузии заменяется вихревым переносом, значительно ускоряя процесс химического взаимодействия (коррозия трубопроводов, разгар сопл двигателей и т. д.). Кроме того, на ход реакции влияет угол направления потока с поверхностью, так как в зависимости от этого угла разрушаются защитные слои, если они возникают на поверхности. Таким образом, скорости химических реакций сильно зависят от внешних условий (размешивание). [c.131]

    Так как распределение скоростей не зависит от числа Ке, то очевидно, что в рассматриваемом случае равномерного ламинарного движения при всех значениях числа Ке сохраняется кинематическое подобие потоков ламинарная автомодельность). [c.118]

    В потоках аэрозолей движение взвешенных частиц разных размеров имеет различный характер. Если режим движения потока ламинарный, а размеры частиц соизмеримы с длиной свободного пробега молекул (ориентировочно 10 м и менее), то на их движении существенно сказываются диффузионные процессы. [c.49]

    Структура и длина свободного факела при прочих равных условиях зависят от характера движения потока (ламинарное или турбулентное) и количества первичного воздуха, подаваемого в смеси с топливом.  [c.145]

    При вытекании газа из насадки в неподвижный воздух образуется струя, характер которой зависит от того, вытекает ли из насадки ламинарный или турбулентный поток. Если поток ламинарный, то струя из насадки движется, сначала практически не расширяясь, и ее массообмен с окружающим воздухом происходит только путем молекулярной диффузии, т. е. очень медленно. Лишь на некотором расстоянии Н от сопла появляются гребни и завихрения, указывающие на наступление турбулентного состояния, которое постепенно охватывает все сечение факела. По мере увеличения скорости вытекания газа расстояние Н уменьшается (рис. 77 и 78) и становится близким к нулю в области критических значений числа Рейнольдса (для вытекающего потока). Размытые края струи до начала турбулентного состояния (см. рис. 77) указывают на наличие процесса молекулярной диффузии между газом и окружающей воздушной оболочкой, увлекаемой движущимся газом [78]. Взаимодействие [c.145]

    Только слои жидкости в непосредственной близости от стенки существенно влияют на теплообмен. Векторы скорости этих слоев параллельны стенке, а тепловой поток перпендикулярен к ней. Поэтому мы рассматриваем законы теплообмена в потоке, параллельном поверхности стенки (в направлении оси х). Предположим, что скорость существенно изменяется только в направлении у, в котором также происходит передача тепла. Поэтому существенное изменение температуры имеет место только в направлении у. Согласно Прандтлю мы упрощаем действительные условия, допуская, что ламинарный подслой, в котором не имеется никакого турбулентного перемешивания, существует в непосредственной близости от стенки и что в остальном потоке ламинарная теплопроводность н трение малы по сравнению с турбулентным теплообменом и ими можно пренебречь. [c.254]

    Характер потока (ламинарный, турбулентный) [c.24]

    Те же требования, что и для аналитической ЖХ. Важна также для типа потока (ламинарный или турбулентный) вне колонки, см. Плотность  [c.86]

    К участкам, которые следует рассматривать как наиболее критические, относятся, например, воздух у открытых заполненных емкостей, участки поблизости от препятствий, которые могут вызвать турбулентность в потоке ламинарного воздуха, вода в резервуаре для смешивания, сопло для заполнения в оборудовании, руки персонала. Для отбора проб воздуха обычно выбирают участки в местах расположения восходящих потоков воздуха от открытого продукта или емкостей. [c.765]

    Интенсивность теплообмена между твердой поверхностью и окружающей ее жидкостью помимо других факторов зависит от того, является ли поток ламинарным или турбулентным, а тепловой поток может быть определен из уравнения (3.1). Коэффициент теплоотдачи а входит в критерий Нуссельта Ки= аХ/Х, связь которого с критериями [c.54]

    Экспериментально установлено [2], что существуют два режима движения потока — ламинарный и турбулентный. Ламинарное, или слоистое, движение наблюдается при малых скоростях или в трубах малого диаметра. При ламинарном движении слои жидкости скользят один относительно другого не перемешиваясь. В условиях установившегося движения скорость w при ламинарном режиме постоянна в каждой точке потока, т. е. и = f(x, у, г). [c.56]

    Величина полученного отношения средней скорости к осевой (Л) может служить ориентировочной характеристикой режима течения потока. При /4=0,5 —поток ламинарный, при А — [c.24]

    Если поток ламинарный (т. е. имеются линии тока), профиль скоростей по диаметру является параболическим и отношение максимальной скорости в центре к средней скорости равно 2. [c.47]

    Если режим движения потока ламинарный, то для измерения статического давления (напора) применяют плоский диск (рис. 11-8, Ь) или изогнутую трубку (рис П-8, с), которые необходимо правильно установить по отношению к потоку, так как даже небольшие пх смещения обусловливают значительные погрешности измерений. Диаметр диска должен быть в 20 раз больше его толщины и в 40 раз больше диаметра отверстия для присоединения манометра. Необходимо, чтобы поверхность диска была плоской и гладкой, края острыми, а нижняя кромка скошенной. Отверстия в пьезометрической трубке (рис. П-8, с) должны иметь такие же диаметры и расположение, как в трубке Пито — Прандтля (см. рис. П-10). [c.127]

    Считая потоки ламинарными, из условия равенства сопротивлений на периферии и в середине трубки, получаем  [c. 194]

    Порядок расчета фильер для жидкостей высокой вязкости (поток ламинарный) приведен в книге Бернхардта [c.167]

    В большинстве теоретических исследований пленочного течения при турбулентном режиме принимается трехслойная модель потока ламинарный подслой, переходная область и область развитого турбулентного течения вблизи свободной поверхности пленки. Распределение скоростей в этих областях описывается [c.53]

    СКОРОСТЬ РАСПРОСТРАНЕНИЯ ПЛАМЕНИ В ЛАМИНАРНОМ ПОТОКЕ. Ламинарный поток характеризуется тем, НТО процессы обмена в нем происходят только за счет движения [c.569]

    Скорость жидкости в трубе не превышала 89,7 см/с. Режим движения жидкостного потока — ламинарный. Параметр Рейнольдса, отнесенный к диаметру трубы и скорости жидкости, был в пределах 3,7—694. Концентрация твердой фазы составляла 0,33—4 частицы в 1 см . [c.108]

    Для определепия величин а , и Аа допустим, что сопротивления потоку на периферии и в середине трубки одинаковы. Если считать потоки ламинарными, то [c.31]

    Характер движения потока устанавливают по значению критерия Рейнольдса Ке = линейная скорость движения потока й — диаметр трубы л — динамическая вязкость потока). Различают следующие режимы движения потоков ламинарный (Не10 000) переходный (2300Коэффициент теплоотдачи для каждого конкретного случая теплообмена находят в зависимости от режима движения теплообменивающихся потоков по формулам и номограммам, приведенным в специальной литературе по теплопередаче. [c.151]

    Проводя аналогию между процессами теплопередачи и диффузии, приходится отметить, что в теплопередаче гидродинамическое подобие потоков полностью характеризуется критерием Рейнольдса только при вынужденном движении с хорошо развитой турбулентностью ири отсутствип такого движ ения, а также в потоках ламинарных и переходных режимов перенос тепла за счет естеств( Нпой конвенции характеризуется критерием Грасгофа. Аналогичный по смыслу критерий введен и для диффузионных процессов [c. 34]

    Миклей также показал, что для газа с числом Прандтля, большим, чем 1, действительное уменьшение переноса тепла больше, чем даваемое уравнением для потока Кётте, так что это уравнение дает скромную оценку для потока ламинарного пограничного слоя. [c.378]

    Прпняв поток ламинарным, определить потерю давления на трение в вертикальной круглой трубе = 12 см прп нисходящем движении аэрированного тонкого порошка, если dp = 0,1 мм ps = 2,5 г/см щ = 10 см/с Uj = = 12 см/с Ef = 0,75. [c.102]

    При обработке исходных растворов, содержащих растворенные вещества с низким значением коэффициента диффузии, концентрационная поляризация может стать значительной независимо от типа потока (ламинарного или турбулентного). Как показано на фиг, 14, кривые изменения потоков через ультрафильтрационные мебраны трех разных типов при повышении давления становятся прямыми линиями при значениях, которые существенно ниже значений потоков для чистой воды. Макромолекулы и коллоиды, находящиеся в обрабатываемой ультрафильтрацией жидкости, скапливаются у поверхности мембраны и образуют липкий слой геля, примыкающий к мембране. Аналогичные явления наблюдаются и при концентрировании с помощью ультрафильтрациониых или обратноосмотических мембран пищевых продуктов. [c.181]

    Смешивание наименее удовлетворительно, когда скорость вводимого в трубку потока реагентов мала, а сам поток ламинарный. Поскольку при общих давлениях порядка 1 мм рт. ст. диффузия относительно медленна, радиальная компонента скорости у молекул вводимых в трубку реагентов сравнительно невелика. В этом случае в потоке газа ниже сопла, через которое вводятся реагенты, сохраняются радиальные градиенты концентраций. Если реагенты вводятся в трубку через отверстие с относительно малым диаметром, а скорость вводимого потока довольно высока, чтобы после сопла возникла небольшая зона турбулентности, то молекулы реагентов приобретают достаточную радиальную скорость для быстрого смешивания. Наиболее простое устройство такого типа состоит из вводящего патрубка (с диаметром отверстия 1 мм), направленного вдоль оси трубки. Скорость молекул вводимого реагента но отношению к основному потоку оказывается наибольшей в том случае, если поток из вводящего патрубка движется навстречу основному потоку. Используются также разнообразные вводящие устройства с большим числом отверстий, располагаемые вдоль оси реакционной трубки с их помощью можно добиться быстрого установления гомогенных потоков вблизи выходных отверстий. В реакционных трубках прямоугольного сечения, используемых для спектрофотометрических исследований [20], быстрого перемешивания добиться труднее, чем в цилиндрических. По времени установления гомогенной оптической плотности основного потока при введении в него светопоглощающего реагента через патрубок с одним отверстием или с большим числом отверстий [c.295]

Химия (1986) — [ c.131 ]

Химия (1979) — [ c. 136 ]

Теория тепло- и массообмена (1961) — [ c.0 ]

Научные основы химической технологии (1970) — [ c.64 , c.97 ]

Введение в кинетику гетерогенных каталитических реакций (1964) — [ c.390 , c.391 ]

Справочник инженера – химика том первый (1969) — [ c.148 , c.158 ]

Химия (1975) — [ c.149 ]

Химическая кинетика и расчеты промышленных реакторов Издание 2 (1967) — [ c.146 , c.246 , c.247 ]

Химическая кинетика и расчеты промышленных реакторов Издание 2 (1967) — [ c. 146 , c.246 , c.247 ]

Введение в теорию и расчеты химических и нефтехимических реакторов (1968) — [ c.0 ]

Химическая кинетика и расчеты промышленных реакторов (1964) — [ c.150 , c.257 , c.258 ]

Химическая кинетика м расчеты промышленных реакторов Издание 2 (1967) — [ c.146 , c.246 , c.247 ]

Центрифуги и сепараторы для химических производств (1987) — [ c.19 ]

Устройство ламинарного бокса и его применение в лаборатории

Ламинарные потоки

Ламинарные воздушные потоки защищают рабочую зону от загрязнения частицами, находящимися в окружающем воздухе. Многим медицинским и исследовательским лабораториям требуется стерильная рабочая среда для проведения специализированных работ. Одним из самых распространенных решений для организации стерильного пространства являются ламинарные боксы (ламинары, ламинарные шкафы).

Ламинарный шкаф Herasafe Thermo Fisher Scientific

Почему ламинарный?

Ламинарный шкаф создает рабочую среду любого размера, прогоняя воздух через систему фильтрации и всасывая его через рабочую поверхность в ламинарном или однонаправленном воздушном потоке. Они обеспечивают отличную чистоту воздуха удовлетворяющую ряду лабораторных требований.

Использование

Ламинарные боксы подходят для различных исследований, особенно там, где требуется отдельная чистая окружающая среда для небольших предметов, например, чувствительных к частицам электронных устройств. В лаборатории ламинары обычно используются для специализированной работы. Шкафы могут быть адаптированы к конкретным требованиям лаборатории и также идеально подходят для общих лабораторных работ, особенно в медицинском, фармацевтическом, электронном и промышленном секторах.

Как они сделаны

Ламинарные боксы или шкафы с ламинарным потоком воздуха обычно изготавливаются из нержавеющей стали без зазоров или швов, тем самым предотвращая накопление бактерий в любом месте рабочей зоны.

Как они работают

Ламинарные шкафы работают за счет использования ламинарного потока воздуха, проходящего через один или несколько фильтров HEPA, предназначенных для создания свободной от частиц рабочей среды и обеспечения защиты образцов. Воздух проходит через систему фильтрации и затем всасывается через рабочую поверхность.

Обычно система фильтрации содержит предварительный фильтр и фильтр HEPA. Шкаф для ламинарного потока закрыт по бокам и в нем поддерживается постоянное положительное давление воздуха, чтобы предотвратить проникновение загрязненного воздуха в помещение.

Ламинарный или вытяжной шкаф?

Ламинарный бокс Herasafe Thermo Fisher Scientific

Следует отличать ламинарный и вытяжной шкаф. Последние используются более для вентиляции, чтобы защитить помещение лаборатории от попадания летучих ядовитых веществ. Ламинар же не только защищает помещение, но и образцы и приборы, находящиеся в нем.

Классы защиты

Согласно мировым стандартам, ламинарные боксы разделают на три класса безопасности. Чем выше класс – тем выше защита.

  • 1 класс защиты – осуществляет защиту окружающего пространства и оператора от опасных для здоровья веществ, но не создает стерильных условий работы.
  • 2 класс защиты – в ламинаре осуществляется защита образцов, оператора и окражающего пространства от патогенных и токсичных веществ. Используются при производства лекарств, для работы с радиоактивными и токсичными химическими веществами.
  • 3 класс защиты – осуществляется защита оператора, образцов и окружающей среды при работе с особо опасными материалами. Используются для безопасной работы с вирусами и бактериями самого высокого уровня опасности, канцерогенами и изотопами. Ламинары третьего класса защиты обладают полностью изолированной рабочей зоной, а также оснащены физическим барьером между рабочим местом и оператором.

Стоит отметить, что ламинарные шкафы первого класса отечественного производства не соответствуют мировым стандартам этого класса и в них воздушные потоки направлены наружу, поэтому бокс не защищает окружающую среду.

Типы ламинаров

Ламинарные шкафы могут изготавливаться как в горизонтальном, так и в вертикальном исполнении. Существует множество различных типов шкафов с различными типами воздушных потоков для разных целей.

  • Вертикальные
  • Горизонтальные

Все они обеспечивают рабочее пространство, не содержащее загрязнений, и могут быть адаптированы к требованиям любой лаборатории.

Горизонтальные ламинарные шкафы

Получили свое название из-за направления потока воздуха, который поступает сверху, а затем меняет направление и течет по горизонтали. Постоянный поток фильтрованного воздуха обеспечивает защиту материала и продукта.

Вертикальные ламинарные шкафы

В таких шкафах поток воздуха направлен вертикально вниз на рабочую зону. Воздух может покидать рабочую зону через отверстия в основании. Вертикальные ламинары могут обеспечить большую защиту оператора.


Моделирование барботажа в COMSOL Multiphysics®

Барботаж — процесс массообмена между газом и жидкостью — часто применяется в промышленных задачах: для газирования напитков, в работе фотобиореакторов и даже для аэрации домашних аквариумов. В этой статье мы изучим моделирование газирования в программном пакете COMSOL Multiphysics®.

Что такое барботаж?

Барботаж — процесс пропускания газа через жидкость, в котором газ растворяется в жидкости или жидкость теряет растворенные в ней компоненты. Как мы упоминали, в этом процессе происходит массообмен между газом и жидкостью. Один из примеров — процесс продувки: через жидкость, в которой растворен кислород, пропускается азот, чтобы удалить из жидкости растворенные газы. Другой пример — растворение газа в жидкости. Растворенные вещества могут потом реагировать с другими компонентами жидкости, изменяя ее химический состав. Примеры таких процессов растворения — газирование напитков и аэрация воды.


Пузырьки газа в бутылке с газированной водой.

Когда мы открываем бутылку с любым газированным напитком, мы ожидаем, что она зашипит: падение давления приводит к тому, что в жидкости образуются всплывающие пузырьки углекислого газа. Пока мы не открыли бутылку, углекислый газ остается растворенным в напитке (CO2 (aq)). Чтобы получить растворенный в напитке газ, пузырьки углекислого газа под высоким давлением пропускают через напиток. Когда пузырьки углекислого газа проходят через напиток, через поверхность пузырьков происходит массообмен между газом и жидкостью. Растворенный углекислый газ реагирует с водой и образует угольную кислоту. Этот процесс и называется газированием.

В этой статье мы рассмотрим модель процесса газирования и растворения углекислого газа в воде. Другими словами, мы будем готовить виртуальную газировку.

Подробно изучим процесс газирования

Представим себе стакан с водой, через дно которого подается углекислый газ, как показано на картинке ниже. Пузырьки углекислого газа всплывают и проходят через воду, при этом происходит массобмен и передача импульса. Наконец, пузырьки выходят через верх. Обратите внимание, что растворенный углекислый газ реагирует с водой и образует угольную кислоту. Таким образом, чтобы разобраться в процессе газирования, нам нужно моделировать:

  • Перенос массы и импульса в воде и пузырьках углекислого газа (многофазный поток)
  • Массообмен углекислого газа между пузырьками и водой (растворение)
  • Перенос массы растворенного углекислого газа и происходящие химические реакции (образование угольной кислоты)


Схематическое изображение газирования воды. Пузырьки углекислого газа поступают через дно.

Моделирование барботажа в COMSOL Multiphysics®

Давайте посмотрим, какие интерфейсы и условия в COMSOL Multiphysics позволяют моделировать эти процессы. Как видно из изображения выше, задача обладает осевой симметрией. Мы можем создать двухмерную осесимметричную модель. Для моделирования многофазного потока мы воспользуемся интерфейсом Bubbly Flow, Laminar Flow (Аэрированный поток, ламинарный поток), так как объемная доля пузырьков меньше 1%, а плотность углекислого газа пренебрежимо мала в сравнении с плотностью воды. Если объемная доля пузырьков меньше 1%, можно также использовать для решения задачи переноса пузырьков трассировку частиц. Однако важно заметить, что модели аэрированного потока работают и в системах с объемной долей пузырьков больше 1% (примерно 10% или меньше).

Кроме того, мы выбрали ламинарный поток, потому что рассчитанное на основе скорости пузырьков число Рейнольдса для внутреннего потока оказалось меньше 2000.

Совет: прочитайте статью о различных интерфейсах для многофазного потока в программном пакете COMSOL®. Статья описывает их преимущества, недостатки и лежащие в их основе предположения.

Интерфейс Bubbly Flow, Laminar Flow (Аэрированный поток, ламинарный поток) позволяет рассчитать скорость, давление и эффективную плотность газа. Он также позволяет рассчитать плотность размещения пузырьков газа и соответствующую площадь межфазной поверхности (если в настройках выбрана опция Solve for interfacial area (Рассчитать площадь межфазной поверхности)). Эта опция включает расчет массообмена между пузырьками и жидкостью на основе двухпленочного приближения, которое обсуждается ниже.


Схематическое изображение условий задачи в COMSOL Multiphysics с указанными граничными условиями и условиями для областей в интерфейсах Bubbly Flow (Аэрированный поток) и Transport of Diluted Species (Перенос растворенных веществ). Массообмен углекислого газа задается условием Reactions (Реакции), а реакция образования угольной кислоты задается условием Equilibrium Reaction (Равновесная реакция). На изображении оба условия указаны как Reactions (Реакции). Обратите, что такие условия для областей по умолчанию, как Fluid Properties (Свойства текучей среды), Transport Properties (Свойства переноса) и Initial Values (Начальные значения), не приведены на схеме.

При моделировании потока текучей среды мы пренебрегаем деформацией свободной поверхности (например, верхней поверхности воды). Несмотря на это, для свободной поверхности выбрано пристеночное граничное условие Slip (Проскальзывание), как показано на схеме выше. При этом вода может двигаться по касательной к свободной поверхности, но нормальная компонента скорости приравнивается к нулю. Условия для входных и выходных каналов газа указаны в этом интерфейсе в граничном условии Wall (Стенка). (Подробнее этот процесс описан в предыдущей статье про моделирование аэрированного потока в стакане пива.) Входящий поток газа линейно нарастает от нуля до требуемого значения: рекомендуется наращивать нагрузки постепенно с течением времени.

Перенос растворенного углекислого газа и угольной кислоты, образующейся в ходе равновесной реакции углекислого газа и воды, моделируется в интерфейсе Transport of Diluted Species (Перенос растворенных веществ). * = (p+p_{ref})/H), в котором

  • p — относительное давление, рассчитанное в интерфейсе Bubbly Flow (Аэрированный поток)
  • p_{ref} — уровень отсчета давления, заданный в интерфейсе Bubbly Flow (Аэрированный поток)
  • H — константа Генри, полученная из экспериментальных данных или литературы

Массобмен между газом и жидкостью вносит в жидкость углекислый газ, что учтено в соответствующем слагаемом Reactions (Реакции) интерфейса Transport of Diluted Species (Перенос растворенных веществ), как показано ниже. Кроме взаимосвязи между интерфейсами Bubbly Flow (Аэрированный поток) и Transport of Diluted Species (Перенос растворенных веществ), скорость жидкой фазы, рассчитанная в интерфейсе Bubbly Flow (Аэрированный поток), передается в настройки области Transport Properties (Свойства переноса) в интерфейсе Transport of Diluted Species (Перенос растворенных веществ). Таким образом учитывается конвекционный перенос растворенного углекислого газа.


Настройки условия Mass Transfer (Массообмен) в интерфейсе Bubbly Flow (Аэрированный поток). Все параметры, указанные в настройках области, определены в узле Parameters (Параметры), за исключением параметра c_CO2 — концентрации углекислого газа, рассчитанной в интерфейсе Transport of Diluted Species (Перенос растворенных веществ).


Настройки слагаемого Reactions (Реакции) в интерфейсе Transport of Diluted Species (Перенос растворенных веществ). Значение массообмена bf.mgl рассчитыается в интерфейсе Bubbly Flow (Аэрированный поток) и передается в интерфейс Transport of Diluted Species (Перенос растворенных веществ) как новое слагаемое-источник.


Настройки равновесной реакции H2O + CO2 (aq) ↔ H2CO3 в интерфейсе Transport of Diluted Species (Перенос растворенных веществ). Вода выступает в качестве растворителя. Параметр K_eq определен в узле Parameters (Параметры).

Результаты моделирования барботажа

Соответствующие входные параметры для массообмена углекислого газа и диффузии растворенного углекислого газа взяты из литературы (ссылки 1—3).

Сравнивая графики при t = 0 с и при t = 10 с, показанные на рисунке ниже, мы ясно видим, что пузырьки углекислого газа, представленные объемной долей газа, начинают подниматься и передают воде импульс. Пузырьки углекислого газа выходят через верхнюю поверхность. Несмотря на это, вода не вытекает из стакана: она циркулирует в стакане, образуя вихри, которые видны на рисунках ниже. Массообмен происходит в областях с ненулевой объемной долей газа, поэтому в начальный момент времени повышенная концентрация растворенного углекислого газа соответствует областям с высокой объемной долей газа. Помимо этого, растворенный углекислый газ разносится конвекционными и диффузионными потоками по стакану. Определяющее влияние конвекционного переноса становится очевидным, если сравнить график скорости и линий тока с графиками скалярного поля концентрации растворенного углекислого газа, которые показаны ниже.


Слева: абсолютная величина скорости потока воды и линии тока; в центре: объемная доля пузырьков углекислого газа; справа: концентрация растворенного углекислого газа в моменты времени t = 0 с, 10 с, 50 с и 100 с.

Мы можем создавать анимированные версии этих графиков в COMSOL Multiphysics. Это позволяет лучше показать образование вихрей, их движение и перенос растворенных веществ.

Слева: изменение абсолютной величины скорости потока воды и линий тока; в центре: изменение объемной доли пузырьков углекислого газа; справа: изменение концентрации растворенного углекислого газа.

Так как модель двухмерная осесимметричная, программный пакет COMSOL Multiphysics автоматически создает трехмерный набор данных, вращая двухмерное решение вокруг оси. Затем мы можем создать трехмерную анимацию образования угольной кислоты, на которой видно, как образование и перенос угольной кислоты тесно связаны с переносом растворенного углекислого газа.

Изменение концентрации угольной кислоты со временем.

Заключительные замечания

В этой статье мы рассмотрели, как моделировать барботаж, на примере газирования воды. Таким же образом можно моделировать массообмен между любыми текучими средами в дисперсном режиме многофазного потока. Обратите внимание, что условие Mass Transfer (Массообмен) есть и в интерфейсе Bubbly Flow (Аэрированный поток), и в интерфейсе Mixture Model (Модель смеси). Как принято в COMSOL Multiphysics, вы можете задавать пользовательские выражения для условия Mass Transfer (Массообмен), выбрав соответствующую опцию из списка моделей массообмена.

При моделировании таких мультифизических задач рекомендуем построить рабочий процесс так: начинать с упрощенной модели, а затем наращивать ее сложность.

Дальнейшие шаги

Вы интересуетесь моделированием барботажа? Скачайте учебную модель газирования воды, щелкнув на кнопку ниже. Чтобы скачать MPH-файлы модели, вам нужны учетная запись COMSOL Access и действующая лицензия на программное обеспечение.

Больше информации о моделировании дисперсных и разделенных многофазных потоков вы найдете в этих учебных моделях:

Литературные источники

  1. Sander, R., Compilation of Henry’s law constants for inorganic and organic species of potential importance in environmental chemistry (Сборник констант Генри для неорганических и органических веществ, важных для химии окружающей среды), Air Chemistry Dept., Max-Planck Inst. of Chemistry, 1999.
  2. Hogendoorn, J.A., Bhat, R.V., and Versteeg, G.F., “On the Determination of the Diffusivity of CO 2 in Aqueous and NonAqueous Solvents: Investigations with Laminar Jets and Wetted Wall Columns” (Определение коэффициента диффузии углекислого газа в водных и неводных растворах с помощью ламинарных струи и колонок с орошаемыми стенками), Chemical Engineering Communications, vol. 189, no. 8, pp. 1009–1037, 2002.
  3. Han, J., Eimer, D.A., and Melaaen, M.C., “Liquid phase mass transfer coefficient of carbon dioxide absorption by water droplet” (Коэффициент массообмена в жидкой фазе для процесса абсорбции углекислого газа в капле воды), Energy Procedia, vol. 37, pp. 1728–1735, 2013.

Интернет одержим этим «невозможным» водным потоком

С тех пор, как на прошлой неделе он появился в сабреддите Oddly Satisfying, гифка со странно выглядящим водным потоком заставила Интернет перегружаться, пытаясь понять, что на самом деле здесь происходит.

Как вы можете видеть на гифке ниже, на первый взгляд поток выглядит таким плавным и неподвижным, что вас простят за то, что вы предположили, что он застыл на месте. Только когда чей-то палец попадает туда и нарушает поток, вы понимаете, что в этом нет ничего замороженного.

Вот гифка от редактора Reddit Namaqq:

Как бы здорово было сказать, что это волшебство и двигаться дальше, физика, стоящая за этим странным явлением, на самом деле невероятно крутая.

Лучше всего объяснить поведение воды здесь так называемый ламинарный поток – аспект гидродинамики, который описывает, когда жидкость течет в параллельных слоях без разрыва между ними.

Названный в честь пластинок, которые представляют собой тонкие слои или пластины, ламинарный поток возникает, когда канал потока относительно мал, жидкость движется относительно медленно и ее вязкость относительно высока, что для воды может увеличиваться с увеличением давления.

Это говорит о том, что на изображении выше, где вода мягко выходит из надувного бассейна, скорость, давление и некоторые другие свойства потока в каждой точке потока сохраняются на совершенно постоянном уровне.

Это до тех пор, пока кто-то не укажет на это.

Ламинарный поток – полная противоположность другому явлению, известному как турбулентный поток, который является гораздо более распространенным явлением, которое можно увидеть в крови, текущей через артерии, потоке лавы, атмосферных и океанских течениях.

Вот демонстрация разницы с ламинарным потоком вверху и турбулентным потоком внизу:

energy2d / YouTube

Как вы можете видеть выше, в то время как два верхних потока кажутся невероятно стабильными и однородными – так что настолько, что без помощи цветов невозможно было бы сказать, что они даже двигались вперед – турбулентный поток подвергается постоянным и нерегулярным колебаниям.

В двух нижних примерах вы можете видеть, что скорость потока постоянно изменяется как по величине, так и по направлению, в то время как его общий объем продолжает оставаться в одном определенном направлении.Вот как выглядит поток воздуха над поверхностью Земли, когда вы его визуализируете:

Итак, вот оно – не замороженное, не колдовство, просто хорошая, старомодная гидродинамика.

Если вам все еще интересно, видео ниже от SciShow объясняет, как полет не был бы таким же без странных маленьких угловатых кусочков металла по краям крыльев, называемых винглетами, которые созданы специально для использования преимуществ того же типа. ламинарный поток в водном потоке gif:

Что такое ламинарный поток? Вычислительная гидродинамика

Потоки жидкости можно разделить на два разных типа: ламинарные потоки и турбулентные потоки.Ламинарный поток возникает, когда жидкость течет в бесконечно малых параллельных слоях без разрыва между ними. В ламинарных потоках слои жидкости скользят параллельно, без завихрений, завихрений или течений, нормальных к самому потоку. Этот тип потока также называют потоком по линии тока, потому что он характеризуется непересекающимися линиями тока (рис. 1).

Ламинарный режим управляется диффузией импульса, в то время как конвекция импульса менее важна. Говоря более физически, это означает, что силы вязкости выше сил инерции.{1} \) по этой теме считается важной вехой в изучении гидродинамики.

Эта работа была основана на эксперименте, проведенном Рейнольдсом для демонстрации перехода от ламинарного режима к турбулентному.

Эксперимент состоял в исследовании поведения потока воды в большой стеклянной трубе. Чтобы визуализировать поток, Рейнольдс ввел в поток небольшую жилку окрашенной воды и наблюдал за ее поведением при различных расходах. Когда скорость была низкой, окрашенный слой оставался отчетливым по всей длине трубы.Когда скорость увеличивалась, вена распадалась и распространялась по поперечному сечению трубы, как показано на Рисунке 2.

Рисунок 2: Экспериментальное наблюдение Рейнольдса переходной фазы, показывающее, что обтекаемый краситель постепенно переходит в водовороты и завихрения.

Таким образом, Рейнольдс продемонстрировал существование двух различных режимов потока, называемых ламинарным потоком и турбулентным потоком, разделенных переходной фазой. Он также выделил ряд факторов, влияющих на возникновение этого перехода.2 \). Число Рейнольдса является макроскопическим параметром потока в его глобальности и математически определяется как:

$$ Re = \ frac {\ rho u d} {\ mu} = \ frac {ud} {\ nu} \ tag {1} $$

где:

  • \ (\ rho \) – плотность жидкости
  • \ (u \) – макроскопическая скорость жидкости
  • \ (d \) – характерная длина (или гидравлический диаметр)
  • \ (\ mu \) – динамическая вязкость жидкости
  • \ (\ nu \) – кинематическая вязкость жидкости

При малых значениях \ (Re \) течение ламинарное.Когда \ (Re \) превышает определенный порог, в потоке возникает полуразвитая турбулентность; этот режим обычно называют «переходным режимом» и имеет место для определенного диапазона чисел Рейнольдса. Наконец, при достижении определенного значения \ (Re \) поток становится полностью турбулентным. Среднее значение \ (Re \) в переходном режиме обычно называют «критическим числом Рейнольдса» и считают порогом между ламинарным и турбулентным потоками.

Интересно отметить, что число Рейнольдса зависит как от свойств материала жидкости, так и от геометрических свойств приложения.Это имеет два основных последствия при использовании этого номера:

.
  • Число Рейнольдса предназначено для описания глобального поведения потока, а не его локального поведения; в больших областях возможны небольшие / локализованные турбулентные области, которые не распространяются на всю область. По этой причине важно понимать физику потока, чтобы точно определить область применения и характерную длину.
  • Число Рейнольдса является свойством приложения.Различные конфигурации одного и того же приложения могут иметь разные критические числа Рейнольдса.

В следующей таблице показано соответствие между числом Рейнольдса и режимом, полученным в различных задачах:

Конфигурация проблемы Ламинарный режим Переходный режим Турбулентный режим
Обтекание фольги параллельно основному потоку \ (Re <5 \ cdot 10 ^ 5 \) \ (5 \ cdot 10 ^ 5 \ (Re> 10 ^ 7 \)
Обтекание цилиндра, ось которого перпендикулярна основному потоку \ (Re <2 \ cdot 10 ^ 5 \) \ (Re \ cong 2 \ cdot 10 ^ 5 \) \ (Re> 2 \ cdot 10 ^ 5 \)
Обтекание сфера \ (Re <2 \ cdot 10 ^ 5 \) \ (Re \ cong 2 \ cdot 10 ^ 5 \) \ (Re> 2 \ cdot 10 ^ 5 \)
Поток внутри труба круглого сечения \ (Re <2300 \) \ (2300 \ (Re> 4000 \)
Таблица 1: Число Рейнольдса и различные режимы потока

Переходный режим

Переходный режим разделяет ламинарный и турбулентный потоки. 3 \ ).Относительная шероховатость – это «локальный» фактор, который указывает на наличие области, которая ведет себя иначе из-за ее близости к границе. Полностью турбулентные потоки сообщаются в правой части диаграммы (где кривая пологая) и возникают при высоких значениях Re и / или высоких значениях шероховатости, что нарушает поток. Слева описан ламинарный режим, линейный и не зависящий от шероховатости. Самая интересная часть – это центральная, переходный режим, в котором коэффициент трения сильно зависит как от числа Рейнольдса, так и от относительной шероховатости.4 \), описанный на рисунке 4 (а), который показывает критическое число Рейнольдса \ (Re = 1000 \). Результирующее поле скорости (рисунок 4 (b)) зависит от числа Рейнольдса, и основные характеристики потока (например, количество вихрей, положение центра вихрей, профиль скорости) были тщательно протестированы.

Рисунок 4: Полость, управляемая крышкой: (a) Геометрия и граничные условия, где u = 0 представляет стену; (b) Линии потока скорости для Re = 500, показывающие высокую скорость вверху (красный) и почти нулевую скорость у стенок (синий).

С промышленной точки зрения ламинарный режим обычно развивается в потоках с низкой скоростью, низкой плотностью или высокой вязкостью.Обычно это случается с естественной конвекцией (Рисунок 5) или системами вентиляции, работающими с низкой скоростью (Рисунок 6).

Рисунок 5: Естественная конвекция внутри колбы, где разница температур регулирует поток пластинки. Рисунок 6: Система вентиляции в чистом помещении. Наблюдаются плавные непрерывные линии тока для низкоскоростных течений, обусловленные разницей температур

Список литературы

  • «Экспериментальное исследование обстоятельств, определяющих, будет ли движение воды прямым или извилистым, а также закона сопротивления в параллельных каналах».Труды Лондонского королевского общества. 35 (224-226): 84–99
  • «Арнольд Зоммерфельд: наука, жизнь и бурные времена 1868–1951», Майкл Экерт. Springer Science Business Media, 24 января 2013 г.
  • Муди, Л. Ф. (1944), «Факторы трения для потока в трубе», Транзакции ASME, 66 (8): 671–684
  • C.T. Шин У. Гиа, К. Гиа. Высокое разрешение для потока несжимаемой жидкости с использованием уравнений Навье-Стокса и многосеточного метода.J. Comput. Phys., 48: 387–411, 1982.

Последнее обновление: 5 февраля 2021 г.

Эта статья решила вашу проблему?
Как мы можем добиться большего?

Мы ценим и ценим ваши отзывы.

Отправьте свой отзыв