Miscarea turbulenta

Miscarea turbulenta

Existenta, din punct de vedere al structurii fizice a curgerii, a doua tipuri de miscari (regimuri), laminare si turbulente a fost pusa pentru prima oara in evidenta de catre fizicianul englez O. Reynolds in anul 1883. Pana la aceasta data, se considera ca regimul de miscare laminar sau regimul Hagen-Poiseuille (dupa numele celor care au studiat-o pentru prima oara mai amanuntit) este singurul gen de miscare existent. Miscarea turbulenta este cea mai raspandita in natura si in tehnica.

Printr-o serie de experiente facute cu diferite lichide, cu tuburi de diametre diferite si variind vitezele lichidelor, Reynolds a demonstrat ca natura regimului de miscare depinde de viteza medie, diametru si viscozitate.

Trecerea miscarii din regim laminar in regim turbulent depinde de un criteriu care se cheama numarul Reynolds al miscarii:

. (5.55)

In subcapitolul 5.5 s-a dat si semnificatia fizica a acestui criteriu de similitudine. Cand acest numar intrece o anumita valoare 'critica', care in cazul unei conducte cilindrice circulare este , miscarea trece din laminara in turbulenta. Aceasta reprezinta valoarea critica inferioara sub care nu poate exista in mod normal miscare turbulenta, dar regimul laminar se poate mentine uneori si pentru valori mai mari in instalatii speciale, unde se evita vibratiile.

Miscarea turbulenta este structural deosebita de miscarea laminara prin aceea ca:

nu se mai produce miscarea in straturi paralele, iar traiectoriile particulelor se incruciseaza, se impletesc;

viteza intr-un punct din spatiul ocupat de fluidul in miscare permanenta are un caracter oscilant in jurul unei valori medii temporale (caracter pulsatoriu al vitezei);

pierderea de sarcina de la un punct la altul al unei conducte sau canal care transporta fluidul este mult mai mare decat in miscarea laminara, deci fortele de frecare sunt mai mari.

Se constata ca in apropierea peretelui, amestecul inceteaza. Masuratori de precizie au aratat existenta certa a unui strat laminar in imediata vecinatate a peretelui. Grosimea stratului laminar, d, depinde de numarul Re, diametrul conductei, d si coeficientul pierderilor liniare, putand avea grosimi cuprinse intre fractiuni de milimetru si fractiuni de centimetru.

In miscarea laminara a unui fluid, natura miscarii si pierderile de sarcina nu depind de proprietatile suprafetei interioare a peretilor. Aceasta se vede din faptul ca in regim laminar, coeficientul pierderilor liniare este functie numai de numarul Re (l = 64/Re).

Proprietatile suprafetei interioare a peretilor (rugozitatea peretilor) depind de materialul peretilor si felul in care au fost executati. Rugozitatea este inaltimea medie a asperitatilor peretilor care se noteaza cu k. Se mai defineste rugozitatea relativa (adimensionala) exprimata prin urmatoarea relatie:

. (5.56)

Astfel, din punct de vedere al naturii peretilor, miscarile turbulente vor avea caractere diferite, dependente de intensitatea amestecului turbulent si se vor clasa in miscari turbulente netede, de tranzitie si deplin dezvoltate (rugoase).

Ecuatia lui Bernoulli pentru fluide vascoase in miscare turbulenta, are aceeasi forma cu cea pentru miscarea laminara. Pierderile hidraulice sunt insa mai mari deoarece apare un lucru mecanic al fortelor de turbulenta:

, (5.57)

Datorita procesului de schimb de cantitate de miscare intre straturile de fluid invecinate, are loc o tendinta de uniformizare a vitezelor pe sectiunea unei conducte sau canal, la curgerea unui fluid in regim turbulent. Cu cat numarul Reynolds este mai mare, este evident ca miscarea particulelor intre straturi este mai intensa si curba vitezelor mai aplatizata. In practica s-a propus o distributie exponentiala a vitezelor, care depinde de numarul Reynolds.

Pentru viteza medie se obtine ecuatia:

. (5.58)

Din experiente rezulta valorile lui n in functie de numarul Reynolds, acestea fiind prezentate in tabelul 5.1.

Tabelul 5.2. Variatia lui n in miscarea turbulenta