ปั่นป่วน เรียกว่าการไหลพร้อมกับการผสมของเหลวอย่างเข้มข้นกับจังหวะของความเร็วและความดัน นอกจากการเคลื่อนที่ตามยาวหลักของของเหลวแล้ว ยังสังเกตการเคลื่อนไหวตามขวางและการเคลื่อนที่แบบหมุนของปริมาตรของเหลวแต่ละปริมาตรอีกด้วย
การไหลของของเหลวปั่นป่วนถูกสังเกตภายใต้เงื่อนไขบางประการ (สำหรับจำนวนมากเพียงพอ Reynolds) ในท่อ ช่องทาง ชั้นเขตแดนใกล้กับพื้นผิวของวัตถุแข็งที่เคลื่อนที่สัมพันธ์กับของเหลวหรือก๊าซ ในการปลุกของวัตถุดังกล่าว เครื่องบินไอพ่น โซนผสมระหว่างกระแสที่มีความเร็วต่างกัน รวมทั้งในสภาพธรรมชาติต่างๆ
ที.ที.แตกต่างจากลามินาร์ไม่เพียงแต่ในธรรมชาติของการเคลื่อนที่ของอนุภาคเท่านั้น แต่ยังรวมถึงการกระจายของความเร็วเฉลี่ยเหนือส่วนของการไหล การขึ้นต่อกันของค่าเฉลี่ยหรือค่าสูงสุด ความเร็วการไหลและสัมประสิทธิ์ การต่อต้านจากหมายเลข Reynolds อีกครั้ง,ความเข้มของความร้อนและการถ่ายเทมวลที่สูงขึ้นมาก โปรไฟล์ความเร็วเฉลี่ย ที.ที.ในท่อและช่องต่างจากพาราโบลา โปรไฟล์ของลามินาร์ไหลด้วยความโค้งน้อยกว่าใกล้แกนและความเร็วใกล้ผนังเพิ่มขึ้นเร็วขึ้น
การสูญเสียหัวในการไหลของของเหลวปั่นป่วน
การสูญเสียพลังงานไฮดรอลิกทั้งหมดแบ่งออกเป็นสองประเภท: การสูญเสียความเสียดทานตามความยาวของท่อและการสูญเสียในท้องถิ่นที่เกิดจากองค์ประกอบไปป์ไลน์ดังกล่าวซึ่งเนื่องจากการเปลี่ยนแปลงในขนาดหรือการกำหนดค่าของช่องสัญญาณ การเปลี่ยนแปลงความเร็วการไหล การไหลแยกจาก ผนังช่องและการก่อตัวของกระแสน้ำวนเกิดขึ้น
ความต้านทานไฮดรอลิกในท้องถิ่นที่ง่ายที่สุดสามารถแบ่งออกเป็นการขยาย การแคบ และการเปลี่ยนช่อง ซึ่งแต่ละอย่างสามารถเกิดขึ้นอย่างกะทันหันหรือค่อยเป็นค่อยไป กรณีที่ซับซ้อนมากขึ้นของความต้านทานเฉพาะที่คือสารประกอบหรือการรวมกันของความต้านทานที่ง่ายที่สุดที่ระบุไว้
ในระบบการเคลื่อนที่ของของไหลในท่อปั่นป่วน แผนภาพการกระจายความเร็วมีรูปแบบที่แสดงในรูปที่ ในชั้นบางใกล้ผนังที่มีความหนา δ ของเหลวจะไหลในระบบลามินาร์ และชั้นที่เหลือจะไหลในระบบการปั่นป่วน และเรียกว่า แกนปั่นป่วน. ดังนั้น การพูดอย่างเคร่งครัด การเคลื่อนไหวที่ปั่นป่วนล้วนไม่มีอยู่จริง มันมาพร้อมกับการเคลื่อนที่แบบลามินาร์ใกล้กับผนัง แม้ว่าชั้นลามินาร์ δ จะเล็กมากเมื่อเทียบกับแกนที่ปั่นป่วน
แบบจำลองของระบอบการปั่นป่วนของการเคลื่อนที่ของของไหล
สูตรการคำนวณหลักสำหรับการสูญเสียหัวในการไหลของของเหลวปั่นป่วนในท่อกลมเป็นสูตรเชิงประจักษ์ที่ให้ไว้ข้างต้น เรียกว่าสูตร Weisbach-Darcy และมีรูปแบบดังต่อไปนี้:
ความแตกต่างอยู่ในค่าสัมประสิทธิ์แรงเสียดทานไฮดรอลิก λ เท่านั้น สัมประสิทธิ์นี้ขึ้นอยู่กับหมายเลข Reynolds Re และปัจจัยทางเรขาคณิตที่ไม่มีมิติ - ความหยาบสัมพัทธ์ Δ/d (หรือ Δ/r 0 โดยที่ r 0 คือรัศมีของท่อ)
หมายเลข Reynolds ที่สำคัญ
หมายเลข Reynolds ที่มีการเปลี่ยนจากโหมดหนึ่งของการเคลื่อนที่ของไหลเป็นโหมดอื่นเรียกว่าวิกฤต ด้วยหมายเลขเรโนลส์ 
มีการสังเกตระบอบการไหลแบบราบเรียบโดยมีหมายเลข Reynolds 
- โหมดปั่นป่วนของการเคลื่อนที่ของของไหล บ่อยครั้งที่ค่าวิกฤตของตัวเลขนั้นมีค่าเท่ากับ 
ค่านี้สอดคล้องกับการเปลี่ยนแปลงของการเคลื่อนที่ของของไหลจากการปั่นป่วนเป็นลามินาร์ ในการเปลี่ยนผ่านจากระบบลามินาร์ของการเคลื่อนที่ของของไหลไปสู่การปั่นป่วน ค่าวิกฤตมีความสำคัญมากกว่า ค่าวิกฤตของหมายเลข Reynolds จะเพิ่มขึ้นในท่อที่แคบลง และลดลงในท่อที่ขยายออก เนื่องจากเมื่อหน้าตัดแคบลง ความเร็วของอนุภาคจะเพิ่มขึ้น ดังนั้นแนวโน้มการเคลื่อนที่ด้านข้างจึงลดลง
ดังนั้นเกณฑ์ความคล้ายคลึงกันของ Reynolds ทำให้สามารถตัดสินโหมดการไหลของของไหลในท่อได้ ที่เร< Re кр течение является ламинарным, а при Re >Re kr กระแสน้ำปั่นป่วน ที่แม่นยำยิ่งขึ้น การไหลแบบปั่นป่วนที่พัฒนาเต็มที่ในท่อจะถูกสร้างขึ้นที่ Re โดยประมาณเท่ากับ 4000 เท่านั้น และที่ Re = 2300…4000 มีช่วงเปลี่ยนผ่านและวิกฤต
ตามประสบการณ์ที่แสดง สำหรับท่อกลม Re cr มีค่าประมาณ 2300
โหมดการเคลื่อนที่ของของไหลส่งผลโดยตรงต่อระดับความต้านทานไฮดรอลิกของท่อ
สำหรับการไหลแบบราบ
สำหรับสภาวะที่ปั่นป่วน
ความปั่นป่วนเป็นปรากฏการณ์ที่สังเกตพบในกระแสของเหลวและก๊าซจำนวนมาก และประกอบด้วยกระแสน้ำวนหลายขนาดที่เกิดขึ้นในกระแสเหล่านี้ อันเป็นผลมาจากลักษณะทางอุทกพลศาสตร์และอุณหพลศาสตร์ (ความเร็ว ความดัน อุณหภูมิ ความหนาแน่น) เกิดความวุ่นวาย ความผันผวนและดังนั้นการเปลี่ยนแปลงของพื้นที่และเวลาจึงไม่ปกติ
การไหลของของเหลวที่มีการสังเกตความปั่นป่วนเรียกว่าปั่นป่วน ด้วยการไหลดังกล่าว อนุภาคของของเหลวและก๊าซทำให้เกิดการเคลื่อนไหวที่ไม่เป็นระเบียบและไม่มั่นคง ซึ่งนำไปสู่การผสมที่รุนแรง
ในกรณีนี้ กระแสที่ปั่นป่วนแตกต่างจากกระแสที่เรียกว่า laminar ซึ่งมีลักษณะปกติและสามารถเปลี่ยนแปลงได้ในเวลาเฉพาะกับการเปลี่ยนแปลงในแรงกระทำหรือสภาวะภายนอก ในการไหลแบบลามินาร์ อนุภาคของของเหลวหรือก๊าซจะเคลื่อนที่ไปในทิศทางเดียวในชั้นที่ไม่ผสมกัน
เนื่องจากความเข้มข้นสูงของการผสมที่วุ่นวาย กระแสที่ปั่นป่วนจึงมีความสามารถในการถ่ายเทความร้อนเพิ่มขึ้น การขยายพันธุ์แบบเร่ง ปฏิกริยาเคมี(ตัวอย่างเช่น การเผาไหม้) การกระเจิงของเสียงและคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า ตลอดจนการถ่ายโอนโมเมนตัม และเป็นผลให้แรงที่เพิ่มขึ้นส่งผลต่อวัตถุที่เป็นของแข็งที่พวกมันไหลไปรอบๆ ในเวลาเดียวกัน ในกระแสน้ำที่ปั่นป่วน ร่างกายที่เคลื่อนไหวจะได้รับแรงต้านทานที่มากขึ้น ซึ่งนำไปสู่การสูญเสียพลังงานที่สำคัญ
ความปั่นป่วนเกิดขึ้นภายใต้เงื่อนไขบางประการอันเป็นผลมาจากความไม่แน่นอนทางอุทกพลศาสตร์ของกระแสน้ำลามินาร์ การไหลแบบลามินาร์สูญเสียความเสถียรและกลายเป็นความปั่นป่วนเมื่ออัตราส่วนของแรงเฉื่อยต่อแรงหนืด ซึ่งเรียกว่าหมายเลข Reynolds (Re) เกินค่าวิกฤตที่มีลักษณะเฉพาะของสภาวะเฉพาะบางอย่าง
นักฟิสิกส์ชาวอังกฤษ O. Reinold (1842-1912) อธิบายให้นักเรียนทราบถึงความหมายทางกายภาพของเกณฑ์ที่เขาค้นพบดังนี้:
“ของเหลวเปรียบเสมือนกองทหารที่แยกจากกัน การไหลแบบลามินาร์สามารถเปรียบได้กับรูปแบบการเดินขบวนแบบเสาหิน ของเหลวที่ปั่นป่วนสามารถเปรียบได้กับการเคลื่อนไหวที่โกลาหล ความเร็วของของเหลวและเส้นผ่านศูนย์กลางของท่อคือความเร็วและขนาดของการปลด ความหนืดคือวินัย และความหนาแน่นคืออาวุธยุทโธปกรณ์ ยิ่งกองทหารมากเท่าไร การเคลื่อนที่ของเครื่องบินก็จะยิ่งเร็วขึ้นและอาวุธที่หนักขึ้นเท่านั้น รูปแบบการแตกสลายเร็วขึ้น ในทำนองเดียวกัน ความปั่นป่วนเกิดขึ้นในของเหลวยิ่งเร็ว ยิ่งมีความหนาแน่นสูง ความหนืดยิ่งต่ำลง และความเร็วของของเหลวและเส้นผ่านศูนย์กลางของท่อยิ่งมากขึ้น
กระแสน้ำปั่นป่วนในท่อ ช่องทาง ชั้นขอบเขต ใกล้วัตถุของแข็งที่ไหลโดยของเหลวหรือก๊าซ และที่เรียกว่ากระแสปั่นป่วนอิสระ - ไอพ่น ตื่นขึ้นหลังวัตถุแข็งที่เคลื่อนที่สัมพันธ์กับของเหลวหรือก๊าซ และโซนผสมระหว่างกระแส ความเร็วต่างกันไม่ถูกกั้นด้วยกำแพงทึบ เป็นต้น รวมทั้งปรากฏการณ์ความปั่นป่วนในชั้นบรรยากาศ
ความปั่นป่วนในบรรยากาศมีบทบาทสำคัญในปรากฏการณ์และกระบวนการในชั้นบรรยากาศมากมาย - การแลกเปลี่ยนพลังงานระหว่างชั้นบรรยากาศกับพื้นผิว การถ่ายเทความร้อนและความชื้น การระเหยจาก พื้นผิวโลกและแหล่งน้ำ การแพร่กระจายของมลภาวะในชั้นบรรยากาศ การเกิดคลื่นลมและกระแสลมในทะเล การกระเจิงของคลื่นวิทยุสั้นในชั้นบรรยากาศ เป็นต้น
ความปั่นป่วนในชั้นบรรยากาศแตกต่างจากความปั่นป่วนในช่องทางเทียม (ท่อ เครื่องบินไอพ่น ชั้นขอบเขต ฯลฯ) ความปั่นป่วนในชั้นบรรยากาศมีลักษณะเฉพาะ: ช่วงของระดับของการเคลื่อนไหวที่ปั่นป่วนในบรรยากาศนั้นกว้างมาก - จากหลายมิลลิเมตรถึงหลายพันกิโลเมตร ความปั่นป่วนในชั้นบรรยากาศพัฒนาใน พื้นที่ถูก จำกัด ด้วย "ผนัง" หนึ่งอัน - พื้นผิวของโลก
ที่น่าสนใจในทางปฏิบัติคือคำถามเกี่ยวกับการสูญเสียพลังงานระหว่างการเคลื่อนไหว ร่างกายที่แข็งแรงในของเหลวและก๊าซ ความจริงก็คือที่ความเร็วต่ำ ความต้านทานต่อการเคลื่อนไหวจะเพิ่มขึ้นตามสัดส่วนของความเร็ว ในเวลาเดียวกัน ดังที่การศึกษาในอุโมงค์ลมได้แสดงให้เห็น กระแสที่เคลื่อนที่ยังคงไม่ราบเรียบ ด้วยความเร็วที่เพิ่มขึ้น ในบางจุด กระแสน้ำวนที่ปั่นป่วนก็เริ่มก่อตัวขึ้น จากจุดนี้ไป ความต้านทานจะเพิ่มขึ้นตามสัดส่วนของกำลังสองของความเร็ว นั่นคือ ส่วนใหญ่ของพลังงานถูกใช้ไปกับการก่อตัวของกระแสน้ำวนในชั้นขอบและด้านหลังร่างกายที่เคลื่อนไหว ดังนั้นแม้ความเร็วที่เพิ่มขึ้นเล็กน้อยก็ยังต้องใช้พลังงานจำนวนมาก
สังเกตว่าตัวแทนทางน้ำของสัตว์โลก - ปลาโลมา - ไม่ปฏิบัติตามรูปแบบนี้ เป็นที่ทราบกันดีว่ามีความเร็วถึง 50 กม./ชม. และบำรุงรักษาง่ายเป็นเวลาหลายชั่วโมง หากเราคิดว่าการเคลื่อนไหวของโลมาในน้ำนั้นคล้ายคลึงกับการเคลื่อนไหวของร่างกายที่เป็นของแข็ง การคำนวณก็แสดงว่าโลมาจะมีกำลังของกล้ามเนื้อไม่เพียงพอสำหรับสิ่งนี้ (Gray's Paradox)
การศึกษาโลมาในท่ออุทกพลศาสตร์แสดงให้เห็นว่าระหว่างการเคลื่อนไหว ของเหลวที่ไหลรอบๆ ตัวของโลมายังคงไม่เรียบ การสังเกตการเคลื่อนไหวของโลมาในตู้ปลาทำให้เกิดผลลัพธ์ดังต่อไปนี้: เมื่อเคลื่อนที่ในน้ำ รอยพับจะไหลผ่านผิวหนังของโลมาที่ยืดหยุ่นอย่างหนา เกิดขึ้นระหว่างสภาวะการไหลวิกฤติ เมื่อความเร็วเพิ่มขึ้นมากจนกระแสน้ำกำลังจะเปลี่ยนจากลามินาร์ไปเป็นแบบปั่นป่วน ที่นี่เป็นที่ที่ "คลื่นเดินทาง" ปรากฏขึ้นบนผิวหนังซึ่งช่วยลดความปั่นป่วนที่เกิดขึ้นช่วยรักษาการไหลเวียนของอากาศรอบ ๆ ตัวอย่างต่อเนื่อง
ทันทีที่มีการเปิดเผยความลับของความเร็วของปลาโลมา วิศวกรก็เริ่มมองหาวิธีใช้งาน เราทำหนัง "ปลาโลมา" สำหรับตอร์ปิโดเหล็ก ประกอบด้วยยางหลายชั้น ช่องว่างระหว่างซึ่งเต็มไปด้วยของเหลวซิลิโคนที่ไหลผ่านท่อแคบ ๆ จากช่องว่างระหว่างชั้นหนึ่งไปยังอีกช่องหนึ่ง แน่นอนว่านี่เป็นเพียงการประมาณคร่าวๆ แต่ก็ทำให้สามารถลดความต้านทานการเคลื่อนที่ลง 60% (เมื่อตอร์ปิโดเคลื่อนที่ด้วยความเร็ว 70 กม./ชม.)
ซอฟต์เชลล์พบการใช้งานไม่เพียงแต่ในการต่อเรือเท่านั้น ลองนึกภาพท่อส่งน้ำมันหลายพันกิโลเมตร ทรงพลัง สถานีสูบน้ำพวกเขาขับน้ำมัน พลังงานของสถานีเหล่านี้ยังใช้ในการเอาชนะกระแสน้ำวนและกระแสน้ำเชี่ยวที่เกิดขึ้นในท่อ หากท่อหุ้มจากด้านในด้วยปลอกยางยืด ความต้านทานจะลดลงเนื่องจากการลามิเนตของการไหลของน้ำมัน ดังนั้นจึงส่งผลให้การใช้ไฟฟ้าลดลง
การสังเกตพบว่ามีการเคลื่อนไหวสองรูปแบบในของเหลว: การเคลื่อนที่แบบราบเรียบและการเคลื่อนที่แบบปั่นป่วน ลองทำการทดลองต่อไปนี้ เราจะจ่ายน้ำผ่านท่อแก้ว ที่จุดเริ่มต้นของท่อ เราติดตั้งท่อบาง ๆ ที่เราจัดหาสี เมื่อความเร็วของน้ำในหลอดแก้วมีน้อย สีที่หยดออกมาจากหลอดบาง ๆ จะอยู่ในรูปของด้าย นี่แสดงให้เห็นว่าอนุภาคแต่ละส่วนของของเหลวเคลื่อนที่เป็นเส้นตรง ของเหลวในท่อกลมจะเคลื่อนที่ราวกับอยู่ในชั้นวงแหวนที่มีศูนย์กลางซึ่งไม่ผสมกัน การเคลื่อนไหวดังกล่าวเรียกว่า ลามิเนต (ชั้น) (ดูรูป 2.40).
ข้าว. 2.40. การเคลื่อนที่ของของเหลวสีในสภาวะราบเรียบและแบบปั่นป่วน
ด้วยความเร็วของการเคลื่อนที่ในหลอดแก้วที่เพิ่มขึ้น กระแสสีจะเบลอ สูญเสียความเสถียร และที่ความเร็วสูง สีจะทำให้มวลทั้งหมดของของเหลวมีสีสม่ำเสมอ ซึ่งบ่งชี้ถึงการผสมอย่างเข้มข้นของทุกชั้น อนุภาคของของเหลวและปริมาตรขนาดเล็กที่แยกจากกันนั้นอยู่ในสถานะของการเคลื่อนไหวที่วุ่นวายและสุ่ม พร้อมด้วยนายพล การเคลื่อนไหวแปลมีการเคลื่อนที่ตามขวางของอนุภาค การเคลื่อนไหวดังกล่าวเรียกว่า ปั่นป่วน (ดูรูป 2.40).
โหมดการขับขี่ทั้งสองนี้แตกต่างกันอย่างมากจากโหมดอื่น ดังที่เห็นได้จากตารางต่อไปนี้
ตาราง 2.1
| ลักษณะ | ไหลลื่น | โหมดปั่นป่วน |
| การจราจร | เฉพาะตามยาว | ตามยาวและตามขวาง |
| การสูญเสียพลังงาน | ||
| การถ่ายเทความร้อน | การถ่ายเทความร้อนโดยการนำไฟฟ้า | การถ่ายเทความร้อนโดยการนำและการพาความร้อน |
| พล็อตความเร็ว | ฟังก์ชันพาราโบลา | ฟังก์ชันลอการิทึม |
| ค่าสัมประสิทธิ์α |
O. Reynolds ได้ทำการศึกษาเงื่อนไขสำหรับการเปลี่ยนจากการไหลแบบราบเรียบของของเหลวหยดไปเป็นของเหลวปั่นป่วนในท่อกลม เขาพบว่าโหมดขึ้นอยู่กับพารามิเตอร์สามตัว: ความเร็วเฉลี่ย, เส้นผ่านศูนย์กลาง dและความหนืดจลนศาสตร์ ν Reynolds ได้ข้อสรุปว่ามีค่าวิกฤตบางอย่างของอัตราส่วนของพารามิเตอร์เหล่านี้ ซึ่งเป็นขอบเขตระหว่างระบบการไหลแบบราบเรียบและแบบปั่นป่วน และพบว่า:
|
|
การศึกษาที่แม่นยำยิ่งขึ้นได้แสดงให้เห็นว่าในช่วงของตัวเลข Reynald จากปี 2000 ถึง 4000 มีการเปลี่ยนแปลงเป็นระยะของระบอบการปกครองที่ปั่นป่วนและราบเรียบ ดังนั้นเราจึงสามารถพูดได้อย่างแน่นอนว่า ใน , โหมดการเคลื่อนไหวเป็นแบบราบเรียบ และ ที่ , ระบอบการปกครองแบบปั่นป่วนถูกสร้างขึ้น ในช่วงของตัวเลข Reynolds จาก 2000 ถึง 4000 โหมดไม่เสถียร สามารถเป็นได้ทั้งราบเรียบและปั่นป่วน
เมื่อศึกษาความต้านทาน การถ่ายเทความร้อน ปรากฏการณ์ที่เกี่ยวข้องกับการถ่ายเทความร้อน การขนส่งอนุภาคของแข็ง หมายเลข Reynald เป็นจุดเริ่มต้นสำหรับการสร้างการพึ่งพาที่คำนวณได้
การเคลื่อนที่ของของไหลส่วนใหญ่ในงานวิศวกรรมมีความปั่นป่วนมากกว่าแบบราบเรียบ กระแสน้ำที่ปั่นป่วนนั้นซับซ้อนกว่าการไหลแบบลามินาร์มาก และจำเป็นต้องใช้วิธีการอื่นในการศึกษาพวกมัน ลักษณะสุ่มของการเคลื่อนที่ของอนุภาคของเหลวแต่ละตัวในกระแสปั่นป่วนต้องใช้วิธีการกลศาสตร์ทางสถิติ
การสุ่มของการเคลื่อนที่แบบปั่นป่วนจากมุมมองทางจลนศาสตร์หมายความว่าความเร็วของการเคลื่อนที่ที่จุดแต่ละจุดในอวกาศมีการเปลี่ยนแปลงอย่างต่อเนื่องทั้งในด้านขนาด (ดูรูปที่ 2.41) และในทิศทาง ความเร็ว ณ จุดที่กำหนดในกระแสน้ำปั่นป่วน วัด ณ เวลาที่กำหนด เรียกว่า ทันที และแสดงว่า ยู, การศึกษาทดลองแสดงให้เห็นว่าการเปลี่ยนแปลงความเร็วในทันทีนั้นเป็นแบบสุ่ม
ข้าว. 2.41. กราฟการเปลี่ยนแปลงความเร็วชั่วขณะ
เพื่ออธิบายกระแสความปั่นป่วน แนวคิด ความเร็วเฉลี่ย , ซึ่งเรียกว่าความเร็วเฉลี่ยในช่วงเวลาหนึ่ง ณ จุดที่กำหนด
ที่ไหน tเป็นช่วงระยะเวลาที่ค่อนข้างยาว
ด้วยการไหลของของไหลที่สม่ำเสมอในท่อที่มีอัตราการไหลคงที่ ความเร็วชั่วขณะที่วัด ณ จุดที่กำหนดสามารถแบ่งออกเป็นสามองค์ประกอบ
ส่วนประกอบความเร็วแต่ละอย่างเปลี่ยนแปลงไปตามกาลเวลา แต่สำหรับการเคลื่อนไหวที่คงที่ในช่วงระยะเวลาหนึ่ง ค่าของส่วนประกอบตามขวางที่กำหนดในเวลาจะเท่ากับศูนย์ ถ้าแกน Xตรงกับแกนของท่อแล้ว 
.
หากเรากำหนดความเร็วเฉลี่ยของจุดต่างๆ ข้ามท่อในลักษณะเดียวกัน เราจะได้ พล็อตความเร็วเฉลี่ย ตามส่วนท่อ การหาความเร็วเฉลี่ยจะให้ความเร็วการไหลเฉลี่ย
ดังนั้น ความเร็วเฉลี่ยจะได้มาหลังจากเฉลี่ยความเร็วชั่วขณะในช่วงเวลาหนึ่ง ความเร็วเฉลี่ยจะได้มาหลังจากการหาความเร็วเฉลี่ยในส่วนนั้น
ความเร็วเฉลี่ยถือได้ว่าเป็นความเร็วของหยด ด้วยอัตราการไหลของของไหลคงที่ พล็อตของความเร็วตามยาวเฉลี่ยในส่วนอิสระที่กำหนดจะไม่เปลี่ยนแปลงตลอดเวลา ซึ่งเป็นสัญญาณของการไหลคงที่
การใช้แนวคิดเรื่องความเร็วเฉลี่ย การไหลแบบปั่นป่วนที่มีมวลเคลื่อนที่แบบสุ่มของมันถูกแทนที่ด้วยแบบจำลองการไหลของจินตภาพซึ่งแสดงถึงชุดของไอพ่นพื้นฐานที่มีความเร็วเท่ากับความเร็วเฉลี่ยในขนาดและทิศทาง ซึ่งหมายความว่าสามารถใช้การแสดงแทนไฮดรอลิกแบบหนึ่งมิติกับการไหลแบบปั่นป่วนได้
การเบี่ยงเบนของความเร็วทันทีจากค่าเฉลี่ยเรียกว่า ความเร็วเร้าใจ หรือ จังหวะ . การแทนที่ที่ถูกต้อง การเคลื่อนไหวที่ผิดปกติก้อนของเหลวในการเคลื่อนที่ของเจ็ตที่สมมติขึ้นนั้นจำเป็นต้องมีการแนะนำแรงที่สมมติขึ้นของปฏิสัมพันธ์ระหว่างกระแสไอพ่นในจินตนาการ
ด้วยเหตุนี้ Prandtl จึงแนะนำแรงพื้นผิวรูปแบบใหม่และความเค้นเฉือนที่สอดคล้องกัน
,
ซึ่งเรียกว่า แรงเฉือนแบบปั่นป่วน . ความเครียดเหล่านี้เกิดจากการเต้นเป็นจังหวะหรือการแลกเปลี่ยนโมเมนตัมระหว่างชั้นของเหลวที่อยู่ติดกัน เลเยอร์เคลื่อนที่ด้วย ความเร็วมากขึ้นดึงส่วนที่ล้าหลังและในทางกลับกัน เลเยอร์ที่เคลื่อนที่ช้าลงที่ชั้นนำหน้า เครื่องหมายลบเน้นว่าแรงต้านทานมีทิศทางตรงข้ามกับระลอกคลื่นตามยาว ดัชนี xและ yแสดงทิศทางการเคลื่อนที่ของชั้นและจังหวะตามขวาง
แรงเฉือนเฉลี่ยเรียกว่า ปั่นป่วน
การเคลื่อนที่ของอนุภาคของเหลวที่วุ่นวายและไม่เป็นระเบียบส่งผลกระทบอย่างมีนัยสำคัญต่อลักษณะของกระแสน้ำที่ปั่นป่วน การไหลของของเหลวเหล่านี้ไม่เสถียร ด้วยเหตุนี้ ในแต่ละจุดของอวกาศ ความเร็วจึงเปลี่ยนแปลงไปตามกาลเวลา ค่าทันทีของความเร็วสามารถแสดงได้:
(2.42)
ความเร็วเฉลี่ยเวลาอยู่ในทิศทางใด xคือความเร็วการเต้นเป็นจังหวะในทิศทางเดียวกัน โดยปกติ ความเร็วเฉลี่ยจะคงค่าและทิศทางคงที่ตลอดเวลา ดังนั้นการไหลดังกล่าวจะต้องถือเป็นการไหลคงที่โดยเฉลี่ย เมื่อพิจารณาโปรไฟล์ความเร็วของการไหลแบบปั่นป่วนสำหรับภูมิภาคหนึ่งๆ มักจะพิจารณาโปรไฟล์ความเร็วเฉลี่ย
พิจารณาพฤติกรรมของการไหลของของไหลปั่นป่วนใกล้กับผนังทึบ (รูปที่ 2.17)
ข้าว. 2.17. การกระจายความเร็วใกล้กำแพงทึบ
ในแกนของการไหลเนื่องจากความเร็วเป็นจังหวะทำให้เกิดการผสมของเหลวอย่างต่อเนื่อง ที่ผนังทึบ อนุภาคของเหลวจะเคลื่อนที่ตามขวางไม่ได้
ใกล้กำแพงทึบ ของเหลวไหลในระบอบการปกครองแบบราบเรียบ
มีโซนการเปลี่ยนแปลงระหว่างชั้นขอบลามิเนตและแกนการไหล
การเคลื่อนที่ของของไหลในระบบที่ปั่นป่วนมักมาพร้อมกับการใช้พลังงานที่มากกว่าแบบธรรมดา ในระบบลามิเนต พลังงานถูกใช้ไปกับแรงเสียดทานหนืดระหว่างชั้นของเหลว ในระบบที่ปั่นป่วน นอกจากนี้ พลังงานส่วนใหญ่ถูกใช้ในกระบวนการผสม ซึ่งทำให้เกิดแรงเฉือนเพิ่มเติมในของเหลว
ในการพิจารณาความเค้นของแรงเสียดทานในกระแสน้ำเชี่ยวกราก จะใช้สูตรดังนี้
ความเค้นไหลหนืดอยู่ที่ไหนและเป็นความเค้นปั่นป่วนที่เกิดจากการผสม ดังที่ทราบแล้วถูกกำหนดโดยกฎแรงเสียดทานหนืดของนิวตัน:
|
(2.44)
ตามทฤษฎีกึ่งสังเกตของความปั่นป่วนของ Prandtl สมมติว่าค่าของความผันผวนของความเร็วตามขวางโดยเฉลี่ยมีค่าเท่ากับความผันผวนตามยาว เราสามารถเขียนได้ดังนี้
. (2.45)
ที่นี่ r คือความหนาแน่นของของเหลว lคือ ความยาวของเส้นทางผสม คือ ความชันของความเร็วเฉลี่ย
ค่า lซึ่งกำหนดลักษณะเส้นทางเฉลี่ยของอนุภาคของเหลวในทิศทางตามขวางเกิดจากการปั่นป่วนแบบปั่นป่วน
ตามสมมติฐาน Prandtl ความยาวของเส้นทางผสม lเป็นสัดส่วนกับระยะห่างของอนุภาคจากผนัง:
โดยที่ c คือค่าคงที่ Prandtl สากล
ในการไหลแบบปั่นป่วนในท่อ ความหนาของชั้นขอบเขตอุทกพลศาสตร์จะเติบโตเร็วกว่าชั้นเคลือบธรรมดามาก
ส่งผลให้ความยาวของส่วนเริ่มต้นลดลง ในทางวิศวกรรม มักจะเป็นที่ยอมรับ:
(2.47)
ดังนั้นบ่อยครั้งอิทธิพลของส่วนเริ่มต้น
ลักษณะทางอุทกพลศาสตร์ของการไหลถูกละเลย
พิจารณาการกระจายความเร็วเฉลี่ยเหนือส่วนท่อ เรายอมรับความเค้นเฉือนในกระแสปั่นป่วนเป็นค่าคงที่
และเท่ากับแรงกดในผนัง หลังจากการรวมสมการ (2.44) เราจะได้:
. (2.48)
นี่คือปริมาณที่มีมิติของความเร็วจึงเรียกว่าความเร็วแบบไดนามิก
นิพจน์ (2.48) คือการกระจายลอการิทึมของความเร็วเฉลี่ยสำหรับแกนของการไหลแบบปั่นป่วน
โดยการแปลงอย่างง่าย สูตร (2.48) สามารถลดลงได้
สู่รูปแบบไร้มิติดังต่อไปนี้
(2.49)
ระยะห่างจากกำแพงไร้มิติอยู่ที่ไหน เอ็มเป็นค่าคงที่
การทดลองแสดงให้เห็นว่าคมี ค่าเท่ากันสำหรับทุกกรณีของกระแสปั่นป่วน ความหมาย เอ็มถูกกำหนดโดยการทดลองของ Nikuradze: . ดังนั้นเราจึงมี:
(2.50)
คอมเพล็กซ์ต่อไปนี้ใช้เป็นพารามิเตอร์ไร้มิติซึ่งแสดงลักษณะของความหนาของโซนที่เกี่ยวข้อง:
ชั้นย่อยลามินาร์หนืด: 
,
โซนการเปลี่ยนแปลง: 
,
แกนปั่นป่วน: .
ในระบอบปั่นป่วน อัตราส่วนของความเร็วเฉลี่ย
ถึงแกนสูงสุดคือจาก 0.75 ถึง 0.9
เมื่อทราบกฎการกระจายความเร็ว (รูปที่ 2.18) คุณจะพบค่าความต้านทานไฮดรอลิก อย่างไรก็ตาม ในการกำหนดความต้านทานของไฮดรอลิก คุณสามารถใช้ความสัมพันธ์ที่ง่ายกว่า กล่าวคือ: สมการเกณฑ์การเคลื่อนที่ของของไหลหนืด ซึ่งได้รับก่อนหน้านี้ ในส่วนแรกของวินัย
ข้าว. 2.18. การกระจายความเร็วในท่อ
ในระบอบที่ราบเรียบและปั่นป่วน
สำหรับท่อตรงแนวนอนในกรณีของการไหลของแรงดันของของเหลวหนืด สมการเกณฑ์มีรูปแบบดังนี้
(2.51)
โดยที่เชิงซ้อนเชิงเรขาคณิตคือเกณฑ์ของเรย์โนลด์ส และคือเกณฑ์ออยเลอร์ พวกเขาถูกกำหนดเป็น:
โดยที่ ∆ คือความหยาบสัมบูรณ์ของท่อ l- ความยาวท่อ
dคือ เส้นผ่านศูนย์กลางภายในของท่อ เป็นที่ทราบจากประสบการณ์ว่าการสูญเสียแรงดันเป็นสัดส่วนโดยตรงกับ ดังนั้น เราสามารถเขียนได้ว่า
(2.52)
ต่อไปเราแสดงถึงฟังก์ชันที่ไม่รู้จัก 
เราเขียนเกณฑ์ออยเลอร์ จากสมการ (2.52) สำหรับการสูญเสียแรงดัน เราได้รับ:
(2.53)
โดยที่ l คือสัมประสิทธิ์แรงเสียดทานไฮดรอลิก wคืออัตราการไหลเฉลี่ย
สมการที่ได้เรียกว่าสมการดาร์ซี-ไวส์บาค สมการ (2.53) สามารถแสดงเป็นการสูญเสียหัว:
(2.54)
ดังนั้นการคำนวณการสูญเสียแรงดันหรือส่วนหัวจะลดลงจนถึงค่าสัมประสิทธิ์แรงเสียดทานไฮดรอลิก l
กำหนดการ Nikuradze
ท่ามกลางผลงานมากมายเกี่ยวกับการศึกษาการพึ่งพาอาศัยกัน 
เลือกงานของ Nikuradze Nikuradze ศึกษารายละเอียดการพึ่งพาอาศัยกันนี้สำหรับท่อที่มีพื้นผิวเม็ดละเอียดสม่ำเสมอซึ่งสร้างขึ้นโดยเทียม (รูปที่ 2.19)
.
ข้าว. 2.19. กำหนดการ Nikuradze
ค่าของสัมประสิทธิ์ถูกกำหนดโดยสูตรเชิงประจักษ์ที่ได้รับสำหรับพื้นที่ต้านทานต่างๆ จากเส้นโค้งนิคูรัดเซ
1. สำหรับระบบการไหลแบบราบเรียบ กล่าวคือ ใน สัมประสิทธิ์ l สำหรับท่อทั้งหมดโดยไม่คำนึงถึงความหยาบถูกกำหนดจากวิธีแก้ปัญหาที่แน่นอนของปัญหาการไหลของของไหลแบบราบในท่อกลมตรงโดยใช้สูตร Poiseuille:
2. ในพื้นที่แคบ จะสังเกตเห็นค่าสัมประสิทธิ์การลากเพิ่มขึ้นอย่างกะทันหัน พื้นที่ของการเปลี่ยนแปลงจากลามินาร์ไปสู่ความปั่นป่วนนี้มีลักษณะเฉพาะด้วยรูปแบบการไหลที่ไม่เสถียร ในทางปฏิบัติ ระบอบการปกครองที่ปั่นป่วนมีแนวโน้มมากที่สุด
และถูกต้องที่สุดที่จะใช้สูตรสำหรับโซน 3 คุณยังสามารถใช้สูตรเชิงประจักษ์ได้:
3. ในบริเวณท่อเรียบไฮดรอลิกด้วย 
ความหนาของชั้นลามิเนตที่ผนัง d มากกว่าความหยาบสัมบูรณ์ของผนัง D อิทธิพลของส่วนที่ยื่นออกมาของความหยาบที่ถูกล้างโดยการไหลต่อเนื่องนั้นแทบไม่มีผลใดๆ และค่าสัมประสิทธิ์การลากคำนวณที่นี่ตามลักษณะทั่วไปของการทดลอง ข้อมูล
ตามความสัมพันธ์เชิงประจักษ์ เช่น ตามสูตรเบลาเซียส:
4. อยู่ในช่วงของตัวเลข Reynolds 
มีช่วงเปลี่ยนผ่านจากท่อเรียบแบบไฮดรอลิกไปจนถึงท่อหยาบ ในภูมิภาคนี้ (ท่อหยาบบางส่วน) เมื่อ เช่น ส่วนที่ยื่นออกมาของความหยาบที่มีความสูงน้อยกว่าค่าเฉลี่ย D ยังคงอยู่ภายในชั้นลามิเนต และส่วนที่ยื่นออกมาที่มีความสูงมากกว่าค่าเฉลี่ยอยู่ในบริเวณที่ปั่นป่วนของการไหล ผลของการเบรกของความขรุขระนั้นปรากฏออกมา ค่าสัมประสิทธิ์ l ในกรณีนี้คำนวณจากความสัมพันธ์เชิงประจักษ์เช่น
ตามสูตร Alstuhl:
(2.58)
5. ที่ ความหนาของชั้นเคลือบใกล้ผนัง d ถึงค่าต่ำสุดเช่น 
และไม่เปลี่ยนแปลง
ด้วยการเพิ่มจำนวน Re เพิ่มเติม ดังนั้น ล. ไม่ได้ขึ้นอยู่กับจำนวน Re
a ขึ้นอยู่กับ e เท่านั้น ในพื้นที่นี้ (ท่อหยาบหรือพื้นที่ความต้านทานกำลังสอง) เพื่อหาค่าสัมประสิทธิ์ตัวอย่างเช่นสามารถแนะนำสูตร Shifrinson:
(2.59)
ในโซนนี้ ค่าของ l อยู่ภายใน 
.
มีการศึกษาเพื่อกำหนด l ด้วยความหยาบตามธรรมชาติ สำหรับท่อเหล่านี้ ไม่ได้กำหนดโซนที่สอง สำหรับการคำนวณ
ล. โดยปกติจะมีการนำเสนอสูตรข้างต้น
TURBULENT FLOW TURBULENT FLOW (จากภาษาละติน turbulentus - พายุ, วุ่นวาย) การไหลของของเหลวหรือก๊าซซึ่งอนุภาคของของเหลวทำให้เกิดการเคลื่อนไหวที่วุ่นวายตามวิถีที่ซับซ้อนและความเร็ว อุณหภูมิ ความดันและความหนาแน่นของ ความผันผวนของประสบการณ์ระดับกลางที่วุ่นวาย มันแตกต่างจากการไหลแบบราบเรียบโดยการผสมแบบเข้มข้น การถ่ายเทความร้อน ค่าสัมประสิทธิ์แรงเสียดทานขนาดใหญ่ ฯลฯ ในธรรมชาติและเทคโนโลยี การไหลของของเหลวและก๊าซส่วนใหญ่เป็นกระแสปั่นป่วน
สารานุกรมสมัยใหม่. 2000 .
ดูว่า "กระแสน้ำวน" ในพจนานุกรมอื่นๆ คืออะไร:
- (จากภาษาละติน turbulentus stormy, ผิดปกติ) รูปแบบของการไหลของของเหลวหรือก๊าซเมื่อตัดองค์ประกอบของพวกมันจะทำให้การเคลื่อนไหวไม่มั่นคงตามวิถีที่ซับซ้อนซึ่งนำไปสู่การผสมที่รุนแรงระหว่างชั้นของของเหลวหรือก๊าซ (ดู ... ... สารานุกรมทางกายภาพ
การไหลของของเหลวหรือก๊าซ ซึ่งมีลักษณะเป็นการเคลื่อนที่ของปริมาตรที่ไม่สม่ำเสมอและไม่สม่ำเสมอและการผสมอย่างเข้มข้น (ดู ความปั่นป่วน) แต่โดยทั่วไปมีลักษณะที่ราบรื่นและสม่ำเสมอ การก่อตัวของ T. t. มีความเกี่ยวข้องกับความไม่แน่นอน ... ... สารานุกรมของเทคโนโลยี
- (จาก Lat turbulentus วุ่นวายรุนแรง) การไหลของของเหลวหรือก๊าซซึ่งอนุภาคของของเหลวทำให้เกิดการเคลื่อนไหวที่ไม่เป็นระเบียบวุ่นวายตามวิถีที่ซับซ้อนและความเร็วอุณหภูมิความดันและความหนาแน่นของประสบการณ์ระดับกลางที่วุ่นวาย ... ... พจนานุกรมสารานุกรมขนาดใหญ่
TURBULENT FLOW ในทางฟิสิกส์ การเคลื่อนที่ของตัวกลางของไหล ซึ่งมีการเคลื่อนที่แบบสุ่มของอนุภาคของมัน ลักษณะของของเหลวหรือแก๊สที่มีค่า REYNOLDS สูง ดูเพิ่มเติมที่ LAMINAR FLOW... วิทยาศาสตร์และเทคนิค พจนานุกรมสารานุกรม
กระแสน้ำเชี่ยว- การไหลที่อนุภาคก๊าซเคลื่อนที่ในลักษณะที่ไม่เป็นระเบียบที่ซับซ้อน และกระบวนการขนส่งเกิดขึ้นในระดับมหภาคมากกว่าระดับโมเลกุล [GOST 23281 78] หัวข้ออากาศพลศาสตร์ของเครื่องบิน คำศัพท์ทั่วไป ประเภทของกระแสน้ำ ... ... คู่มือนักแปลทางเทคนิค
กระแสน้ำเชี่ยว- (จากภาษาละติน turbulentus stormy, วุ่นวาย) การไหลของของเหลวหรือก๊าซซึ่งอนุภาคของของเหลวทำให้เกิดการเคลื่อนไหวที่ไม่เป็นระเบียบวุ่นวายตามวิถีที่ซับซ้อนและความเร็วอุณหภูมิความดันและความหนาแน่นของประสบการณ์ระดับกลาง .. . ... พจนานุกรมสารานุกรมภาพประกอบ
- (จากภาษาละติน turbulentus stormy, วุ่นวาย * a. กระแสปั่นป่วน; n. Wirbelstromung; f. ecoulement วุ่นวาย, ecoulement tourbillonnaire; และ flujo turbulento, corriente turbulenta) การเคลื่อนไหวของของเหลวหรือก๊าซซึ่งและ ... .. . สารานุกรมธรณีวิทยา
กระแสน้ำเชี่ยว- รูปแบบของการไหลของน้ำหรืออากาศ ซึ่งอนุภาคของพวกมันจะเคลื่อนที่แบบสุ่มไปตามวิถีที่ซับซ้อน ซึ่งนำไปสู่การผสมที่รุนแรง Syn. ความวุ่นวาย… พจนานุกรมภูมิศาสตร์
กระแสน้ำปั่นป่วน- ประเภทของการไหลของของเหลว (หรือก๊าซ) ซึ่งองค์ประกอบปริมาตรขนาดเล็กของพวกมันทำให้เกิดการเคลื่อนไหวที่ไม่คงที่ตามวิถีสุ่มที่ซับซ้อน ซึ่งนำไปสู่การผสมชั้นของเหลว (หรือก๊าซ) อย่างเข้มข้น T. t. เกิดขึ้นเนื่องจาก ... ... สารานุกรมสารานุกรมอันยิ่งใหญ่
กลศาสตร์ต่อเนื่อง สื่อต่อเนื่อง กลศาสตร์คลาสสิก กฎการอนุรักษ์มวล กฎการอนุรักษ์โมเมนตัม ... Wikipedia