Hydrodynamika, prúdenie kvapalín Miriam Krivjančinová 2. E

Prúdenie tekutiny Hydrodynamika Pohyb tekutiny Pod pojmom prúdenie tekutiny rozumieme pohyb tekutiny prevažne v jednom smere. Fyzikálnymi zákonitosťami, ktorými sa riadi prúdiaca tekutina a silami pôsobiacimi na tuhé telesá nachádzajúce sa v prúdiacom tekutom prostredí sa zaoberá dynamika tekutín. Tekutina sa dáva do pohybu dôsledkom pôsobenia vonkajších objemových síl a rôznych tlakov v objeme tekutiny. Pohyb tekutín je zložitejší ako pohyb pevných telies, pretože častice tekutiny sa môžu navzájom premiestňovať, t.j. dochádza k výraznejším zmenám ich vzájomných vzdialeností, čo u tuhých látok nie je.

Nestacionárne prúdenie Laminárne prúdenie Turbulentné prúdenie Rýchlosť kvapaliny Každá častica tekutiny má v každom mieste určitú rýchlosť. Ak znázorníme v nejakom okamihu v každom mieste vektor rýchlosti v malou šípkou, vyjadríme tým pojem pole vektora rýchlosti. Budeme ním rozumieť oblasť, v ktorej pre každý jej bod, určený polohovým vektorom r , v ľubovoľnom čase t je definovaný vektor rýchlosti v. Prúdenie kde v danom mieste tekutiny je rýchlosť všetkých častíc postupne prichádzajúcich do tejto polohy rovnaká, sa nazýva stacionárne. V iných prípadoch hovoríme o nestacionárnom prúdení. Pri stacionárnom prúdení čiary predstavujú trajektórie, po ktorých sa častice tekutiny pohybujú. Pri ustálenom prúdení reálnej kvapaliny malou rýchlosťou je obraz prúdnic stály, vrstvy kvapaliny sa po sebe pravidelne posúvajú. Takéto prúdenie kvapaliny nazývame laminárne. V priamej trubici sú prúdnice navzájom rovnobežné. Nerovnaká rýchlosť vzájomného posúvania vrstiev kvapaliny spôsobuje vznik vírov. Pri malých rýchlostiach sa však tieto víry nemôžu znateľne rozvinúť. Rýchlosť kvapaliny vykazuje „parabolický profil“. Maximálna je v strede trubice, so vzdialenosťou od stredu postupne klesá, pričom pri stene trubice nadobúda nulovú hodnotu.

http://www.youtube.com/watch?v=VoBc60iU q2I http://www.youtube.com/watch?v=NplrDarM DF8 Laminárne prúdenie sa môže udržať iba do určitej kritickej rýchlosti. Po jej prekročení môžeme zreteľne pozorovať jej vírenie a nestálosť obrazu vytvorených prúdnic. Takéto prúdenie nazývame turbulentné. Môžeme ho pozorovať napríklad pri vytekaní vody z vodovodnej batérie, potrubia a pod. Pri turbulentnom prúdení reálna kvapalina „spotrebúva“ časť svojej energie na vytváranie vírov, čím sa celková rýchlosť prúdenia znižuje a prietok kvapaliny nie je stály. V oblastiach vírov dochádza ku zvyšovaniu rýchlosti prúdenia kvapaliny a k poklesu tlaku a nastáva premiešavanie kvapaliny.

Reynoldsovo číslo Re = vdρ η Re‹2400 – laminárne p. Re›2400 – turbulentné p. Tá istá kvapalina môže za istých okolností prúdiť laminárne, za iných turbulentne. Prechod od laminárneho prúdenia k turbulentnému ovplyvňuje jednak priemer trubice, jednak stredná rýchlosť kvapaliny. Pri väčších priemeroch trubice nastáva prechod k turbulencii už pri menších stredných rýchlostiach kvapaliny. Experimentálnym skúmaním podmienok pre vznik turbulencie sa zaoberal Reynolds. Prvý formuloval kritérium turbulencie pre kvapalinu prúdiacu v trubici s kruhovým prierezom. Dnes sa toto kritérium nazýva Reynoldsovo kritérium Reynolds zistil, že o tom, či prúdenie v trubici (s kruhovým prierezom) bude laminárne alebo turbulentné, rozhoduje hodnota (tzv. Reynoldsovo číslo) Re = vdρ η kde v je stredná rýchlosť prúdenia, ρ hustota kvapaliny, d priemer trubice a η súčiniteľ vnútorného trenia (viskozita). Reynoldsovo číslo Re je doslova číslo. Je to bezrozmerná fyzikálna veličina. Ak je Reynoldsovo číslo pre daný prípad menšie než 2400, bude prúdenie laminárne. Ak však prekročí hodnotu 2400, prúdenie sa zmení na turbulentné. Reynoldsovo číslo zvyšuje a teda turbulenciu „podporuje“ veľká rýchlosť, veľký priemer rúry, ale i veľká hustota kvapaliny. Pokiaľ ide o viskozitu, turbulencia sa ľahšie „vybudí“ v menej viskóznej kvapaline. Čím je menší súčiniteľ vnútorného trenia, tým je Reynoldsovo číslo väčšie.

Turbulenčné prúdenie- transport kvapalín potrubím Využitie: Turbulenčné prúdenie- transport kvapalín potrubím Turbulencia má značný význam v súvislosti s transportom kvapalín potrubiami. Príkladom je ropovod. Bežne si asi veľmi neuvedomujeme, že taký transport na veľké vzdialenosti je z energetického hľadiska dosť náročný. Ide o pohon čerpadiel udržiavajúcich pohyb kvapaliny. Spotrebovaná energia sa mení na teplo vznikajúce v dôsledku vnútorného trenia v objeme kvapaliny. Z energetického hľadiska by pre transport bolo výhodnejšie laminárne prúdenie, lebo turbulencia a s ňou súvisiace nepravidelné premiešavanie kvapaliny vedie k zvýšeniu spotreby energie a k jej premene na teplo. V reálnej situácii býva však v takýchto prípadoch prúdenie takmer vždy turbulentné.

Zdroje http://physedu.science.upjs.sk/kvapaliny/lamturprud.htm http://people.tuke.sk/kamila.jelsovska/FI/prednasky/MECH_ KVAP_PLYN.pdf http://web.svf.stuba.sk/kat/FYZ/fyzika_ta_vola/skripta/fyzik a1/kap6-1.pdf   obrázky: http://me.queensu.ca/People/Sellens/images/Profiles.jpg http://physedu.science.upjs.sk/kvapaliny/lamturprud_soubor y/lamtur.gif http://www.ddp.fmph.uniba.sk/~koubek/DF_html/2- 7_soubory/image006.gif http://www.enesabarataim.hu/files/laminar_turbulent_flow.gi f

Ďakujem za pozornosť!