Laminär–turbulent övergång
Inom vätskedynamik kallas processen för att ett laminärt flöde blir turbulent som laminär-turbulent övergång . Huvudparametern som kännetecknar övergången är Reynolds-talet .
Övergången beskrivs ofta som en process som går igenom en rad steg. "Övergångsflöde" kan syfta på övergång i endera riktningen, det vill säga laminärt–turbulent övergångsflöde eller turbulent–laminärt övergångsflöde.
Processen gäller alla vätskeflöden och används oftast i samband med gränsskikt .
Historia
1883 demonstrerade Osborne Reynolds övergången till turbulent flöde i ett klassiskt experiment där han undersökte beteendet hos vattenflödet under olika flödeshastigheter med hjälp av en liten stråle av färgat vatten som infördes i mitten av flödet i ett större rör.
Det större röret var glas, så beteendet hos lagret av färgat flöde kunde observeras, och i änden av detta rör fanns en flödeskontrollventil som användes för att variera vattenhastigheten inuti röret. När hastigheten var låg förblev det färgade skiktet distinkt genom hela längden av det stora röret. När hastigheten ökades bröts skiktet upp vid en given punkt och diffunderade ut genom vätskans tvärsnitt. Punkten där detta hände var övergångspunkten från laminärt till turbulent flöde. Reynolds identifierade den styrande parametern för uppkomsten av denna effekt, som var en dimensionslös konstant som senare kallades Reynolds-numret .
Reynolds fann att övergången inträffade mellan Re = 2000 och 13000, beroende på hur smidigt ingångsvillkoren är. När extrem försiktighet tas kan övergången till och med ske med Re så högt som 40000. Å andra sidan verkar Re = 2000 vara ungefär det lägsta värdet som erhållits vid en grov ingång.
Reynolds publikationer i vätskedynamik började i början av 1870-talet. Hans sista teoretiska modell publicerad i mitten av 1890-talet är fortfarande den matematiska standardram som används idag. Exempel på titlar från hans mer banbrytande rapporter är:
- Förbättringar av apparater för att erhålla drivkraft från vätskor och även för att höja eller tvinga vätskor ( 1875)
- En experimentell undersökning av omständigheterna som avgör om vattnets rörelse i parallella kanaler ska vara direkt eller slingrande och av motståndslagen i parallella kanaler ( 1883)
- Om den dynamiska teorin om inkompressibla viskösa vätskor och bestämning av kriteriet ( 1895)
Övergångsstadier i ett gränsskikt
Ett gränsskikt kan övergå till turbulens genom ett antal vägar. Vilken väg som realiseras fysiskt beror på initialförhållandena såsom initial störningsamplitud och ytjämnhet. Nivån på förståelse för varje fas varierar mycket, från nästan fullständig förståelse av primärmodstillväxt till en nästan fullständig brist på förståelse för bypassmekanismer .
Receptivitet
Det inledande skedet av den naturliga övergångsprocessen är känt som Receptivitetsfasen och består av omvandlingen av miljöstörningar – både akustiska (ljud) och virvel (turbulens) – till små störningar inom gränsskiktet. Mekanismerna genom vilka dessa störningar uppstår varierar och inkluderar friströmsljud och/eller turbulens som samverkar med ytkrökning, formdiskontinuiteter och ytjämnhet. Dessa initiala förhållanden är små, ofta omätbara störningar av grundtillståndsflödet. Härifrån beror tillväxten (eller förfallet) av dessa störningar på arten av störningen och arten av det grundläggande tillståndet. Akustiska störningar tenderar att excitera tvådimensionella instabiliteter såsom Tollmien–Schlichting-vågor (TS-vågor), medan virvelstörningar tenderar att leda till tillväxten av tredimensionella fenomen såsom korsflödesinstabilitet.
Flera experiment under de senaste decennierna har visat att förstärkningsområdets omfattning, och därmed platsen för övergångspunkten på kroppsytan, är starkt beroende inte bara på amplituden och/eller spektrumet av yttre störningar utan också på deras fysiska natur. . En del av störningarna tränger lätt in i gränsskiktet medan andra inte gör det. Följaktligen är begreppet gränsskiktsövergång komplext och saknar fortfarande en fullständig teoretisk redogörelse.
Primärt lägestillväxt
Om den initiala, miljögenererade störningen är tillräckligt liten, är nästa steg i övergångsprocessen den primära tillväxten. I detta skede växer de initiala störningarna (eller avtar) på ett sätt som beskrivs av linjär stabilitetsteori . De specifika instabiliteter som uppvisas i verkligheten beror på problemets geometri och arten och amplituden hos initiala störningar. Över en rad Reynolds-nummer i en given flödeskonfiguration kan och varierar de mest förstärkta lägena ofta.
Det finns flera huvudtyper av instabilitet som vanligtvis förekommer i gränsskikt. I subsoniska och tidiga överljudsflöden är de dominerande tvådimensionella instabiliteterna TS-vågor. För flöden där ett tredimensionellt gränsskikt utvecklas, såsom en svept vinge, blir tvärflödesinstabiliteten viktig. För flöden som navigerar i konkav ytkrökning Görtlervirvlar bli den dominerande instabiliteten. Varje instabilitet har sitt eget fysiska ursprung och sin egen uppsättning kontrollstrategier - av vilka några är kontraindicerade av andra instabiliteter - vilket ökar svårigheten att kontrollera laminär-turbulent övergång.
Enkelt harmoniskt gränsskiktsljud i övergångens fysik till turbulens
Enkelt harmoniskt ljud som en utlösande faktor i den plötsliga övergången från laminärt till turbulent flöde kan tillskrivas Elizabeth Barrett Browning . Hennes dikt, Aurora Leigh (1856), avslöjade hur musikaliska toner (timningen av en viss kyrkklocka) utlöste vacklande turbulens i de tidigare stadiga laminära flödeslågorna från gatuljus ("...gasljus darrar på gator och torg" : Hår 2016). Hennes omedelbart hyllade dikt kan ha uppmärksammat forskare (t.ex. Leconte 1859) för påverkan av enkelt harmoniskt (SH) ljud som en orsak till turbulens. En samtida uppsjö av vetenskapligt intresse för denna effekt kulminerade i att Sir John Tyndall (1867) drog slutsatsen att specifika SH-ljud, riktade vinkelrätt mot flödet hade vågor som blandas med liknande SH-vågor skapade av friktion längs rörens gränser, förstärker dem och triggar fenomen med högresistans turbulent flöde. Hans tolkning dök upp igen över 100 år senare (Hamilton 2015).
Tollmien (1931) och Schlichting (1929) föreslog att friktion (viskositet) längs en jämn platt gräns skapade SH-gränsskiktssvängningar (BL) som gradvis ökade i amplitud tills turbulensen bröt ut. Även om samtida vindtunnlar misslyckades med att bekräfta teorin, skapade Schubauer och Skramstad (1943) en förfinad vindtunnel som dämpade vibrationerna och ljudet som kan påverka vindtunnelns plana flödesstudier. De bekräftade utvecklingen av SH långkrönta BL-svängningar, de dynamiska skjuvvågorna för övergång till turbulens. De visade att specifika SH-fladdervibrationer inducerade elektromagnetiskt i ett BL ferromagnetiskt band kunde förstärka liknande flödesinducerade SH BL-fladdervågor (BLF) och utlösa turbulens vid mycket lägre flödeshastigheter. Dessutom störde vissa andra specifika frekvenser utvecklingen av SH BLF-vågorna, vilket bibehöll laminärt flöde till högre flödeshastigheter.
En oscillation av en massa i en vätska är en vibration som skapar en ljudvåg. SH BLF-svängningar i gränsskiktsvätska längs en platt platta måste producera SH-ljud som reflekteras från gränsen vinkelrätt mot vätskeskikten. I sen övergång fann Schubauer och Skramstad foci för förstärkning av BL-svängningar, associerade med brusskurar ("turbulenta fläckar"). Fokal förstärkning av det tvärgående ljudet i sen övergång var associerad med BL-virvelbildning.
Det fokalförstärkta ljudet av turbulenta fläckar längs en platt platta med hög energioscillation av molekyler vinkelrätt genom laminae, kan plötsligt orsaka lokal frysning av laminär glidning. Den plötsliga inbromsningen av "frusna" fläckar av vätska skulle överföra motståndet till det höga motståndet vid gränsen, och kan förklara BL-virvlarna i den sena övergången. Osborne Reynolds beskrev liknande turbulenta fläckar under övergången i vattenflödet i cylindrar ("turbulensflashar", 1883).
När många slumpmässiga virvlar bryter ut när turbulens börjar, är den allmänna frysningen av laminär glidning (laminär sammanlåsning) associerad med brus och en dramatisk ökning av motståndet mot flöde. Detta kan också förklara den paraboliska isohastighetsprofilen för laminärt flöde som plötsligt ändras till den tillplattade profilen av turbulent flöde – eftersom laminär glidning ersätts av laminär sammanlåsning när turbulens bryter ut (Hamilton 2015).
Sekundära instabiliteter
De primära lägena i sig leder faktiskt inte direkt till sammanbrott, utan leder istället till bildandet av sekundära instabilitetsmekanismer. När de primära lägena växer och förvränger medelflödet börjar de uppvisa olinjäriteter och linjär teori gäller inte längre. Att komplicera saken är den växande förvrängningen av medelflödet, vilket kan leda till inflexionspunkter i hastighetsprofilen, en situation som Lord Rayleigh visar för att indikera absolut instabilitet i ett gränsskikt. Dessa sekundära instabiliteter leder snabbt till sammanbrott. Dessa sekundära instabiliteter är ofta mycket högre i frekvens än deras linjära prekursorer.