Lamineret flow

Lamineret flow omkring en cylinder, ideelt billede af den farverige og en centrale sorte strømlinje til grænsetilfældet for uendelig langsom strømning. Tværsnit gennem cylinderaksen.

Den laminære strømning ( lat. Lamina "plade"), også laminær strømning , er en bevægelse af væsker og gasser , hvor der i et overgangsområde mellem to forskellige strømningshastigheder ( hydrodynamisk grænselag ), der spredes vinkelret på strømningsretningen, ikke er synligt turbulens ( hvirvler / krydsstrømme ) forekommer: Væsken strømmer i lagder ikke blandes med hinanden. I dette tilfælde (med en konstant strømningshastighed over tid) er det for det meste en stabil strømning .

I daglig tale kaldes et flow, der følger forløbet af en væg eller en profil, undertiden lamineret flow . Rent teknisk er dette fænomen imidlertid en trænet eller tilstødende strøm.

ejendomme

Dannelse af et laminært grænselag på en flad overflade. Re _x er her for hver x mindre end Re _crit  ≈ 10 ⁵ . Pladen  længde x skal derfor begrænset.

For at illustrere forskellen mellem laminær strømning og turbulent strømning gennemførte fysikeren Osborne Reynolds et forsøg med at farve en vandstrøm i en rørledning i 1883 og fandt ud af, at turbulensen i rørledningen kun forekommer over en vis strømningshastighed. Reynolds -tallet Re bruges som vurderingskriterium . Dette er defineret som følger:

${\ displaystyle \ mathrm {Re}: = {\ frac {v \ cdot l} {\ nu}} = {\ frac {v \ cdot l \ cdot \ rho} {\ eta}}}$,

hvor mængden af en karakteristisk strømningshastighed , en karakteristisk længde og den kinematiske viskositet eller (eller også ) den dynamiske viskositet og den densitet de strømmende fluid. ${\ displaystyle v}$${\ displaystyle l}$${\ displaystyle \ nu}$${\ displaystyle \ eta}$${\ displaystyle \ mu}$${\ displaystyle \ rho}$

Over en kritisk værdi bliver det laminære flow ustabilt med hensyn til små forstyrrelser. For eksempel er denne værdi omkring rørstrømmen ${\ displaystyle \ mathrm {Re_ {krit}}}$

${\ displaystyle \ mathrm {Re_ {krit}} = {\ frac {v _ {\ mathrm {m}} \ cdot d} {\ nu}} \ ca. 2320}$

hvor er den gennemsnitlige strømningshastighed og skal bruges som den karakteristiske længde af rørdiameteren . Det kritiske Reynolds -nummer er angivet for overløbsplader ${\ displaystyle v_ {m}}$${\ displaystyle d}$

${\ displaystyle \ mathrm {Re_ {krit}} = {\ frac {v_ {0} \ cdot x} {\ nu}} \ ca. 10 ^ {5}}$.

Dette er afstanden fra forkanten til pladens bagkant og hastigheden på den uforstyrrede strømning. ${\ displaystyle x}$${\ displaystyle v_ {0}}$

Hvis strømmen i et rør er laminær, gælder Hagen-Poiseuille-loven . Det beskriver volumenstrømmen gennem røret i forhold til rørets indre radius. ${\ displaystyle {\ tfrac {\ mathrm {d} V} {\ mathrm {d} t}}}$

Årsag til starten på turbulens

Princip for en hvirvelring

Oprettelse af hvirvler i et oprindeligt laminært flow

Røg ringer som en torus, der roterer i sig selv

Den primære årsag til den laminære strømning, som bliver ustabil og derefter turbulent efter en bestemt værdi, er det faktum, at strømningsfeltet for et sådant flow ikke er vortexfrit i matematisk forstand endnu før det . Frihed fra virvel betyder der blandt andet, at en kurve bevæger sig langs en lukket kurve, f.eks. B. i en cirkel hverken vinder eller mister den bevægelige krop energi - på billedet til venstre ville en partikel, der bevæger sig hurtigt til højre i midten af ​​strømmen og derefter langsomt tilbage til venstre langs væggen, være permanent forsynet med energi, hvilket i sidste ende ville føre til dannelsen af ​​de trukkede hvirvler: Hvis der er forstyrrelser i området omkring partiklen, hvilket praktisk talt altid er tilfældet, bliver disse viftet af energiforsyningen indtil den oprindeligt beordrede bevægelse (stratificeret strømning ) ændrer sig endelig til en uordnet turbulent strømning . ${\ displaystyle \ mathrm {Re_ {krit}}}$

Et velkendt eksempel på denne effekt er dannelsen af røgringe (se fig.), Hvor den omgivende luft indtager rollen som den stationære karvæg. Den blæser nu ikke for hurtigt ind i midten af ​​en lille røgsky dannet foran munden (strømforsyning), deformerer den til en roterende selv i torus (hvirvelring engelsk hvirvelring ), den velkendte røgring.

Forekomst i natur og teknologi

Særlig vingeprofil til forskning i laminar flow i luftfart

Laminerede strømme forekommer i naturen, for eksempel i grundvandet og i blodbanen på, er i tekniske applikationer, men snarere undtagelsen, f.eks. Mikroprocesteknik og mikrofluidik , hvor man allerede gør dette fænomen til brug. Brandvæsener benytter nogle gange strømningsrettere til lange slangelængder, da de gør det muligt at bruge betydeligt længere slangelængder (vigtigt f.eks. Ved højbrande).

Strømningsrettere er også blevet brugt mere og mere til moderne vandelementer og springvand i de seneste år (fra 2014). Til såkaldte vandpølser , dvs. H. springende vandstråler, de er endda et uundværligt krav.

Laminerede grænselag har normalt en lavere vægfriktion end turbulente grænselag, især i området med det kritiske Reynolds -nummer. Af denne grund anvendes der i svæveflykonstruktion for eksempel såkaldte laminære profiler, der på grund af deres form har en lang laminær løbetid (afstanden mellem forkanten og det laminære / turbulente overgangspunkt) for at opnå lave strømningsmodstande. Forlængelsen af ​​det laminære grænselag opnås ved at designe profilen, hvor overgangen til et turbulent grænselagstrøm forsinkes så længe som muligt. Laminerede profiler er imidlertid intolerante over for en stor angrebsvinkel, hvilket fører til en bod . I svævefly og især i modelfly indføres derfor turbulens ofte forsætligt af turbulatorer kort før overgangsstedet i en laminær grænse lagstrøm for at forhindre en laminær adskillelse f.eks. B. for at undgå at ro. Der er endda laminære profiler inden for modelkonstruktion, hvor turbulatorer er absolut nødvendige over hele tilbygningen for at undgå ustabilitet, når man vender gennem en bod.

Derudover kan laminar flow endda øge træk ved at øge mængden af ​​kølvandet fra den tidligere bod. Det mest kendte eksempel på dette er strømmen rundt om en kugle, hvis trækkoefficient falder betydeligt, når strømningen skifter fra laminær til turbulent strømning. På grund af minimale forskelle i overfladen sker denne effekt pludselig og ikke ligefrem på samme tid omkring hele bolden, hvilket kan være ønskeligt (volleyball: flagrenes slag) og uønsket (golfbold) afhængigt af applikationen. De små fordybninger på overfladen af golfbolde kaldet fordybninger undgår dette og sikrer et konstant turbulent grænselag, som både reducerer det samlede træk og beskytter mod flyvebaneafvigelse.

I turbulent flow kan såkaldte riblets reducere friktionsmodstanden.

Lamineret flow

Flowprincip "laminar flow clean room"

Når man beskriver teknisk udstyr, støder man lejlighedsvis på det engelsksprogede udtryk laminær flow . Dette forstås generelt at betyde en (for det meste lodret) rettet luftstrøm med lav turbulens . En lav-turbulensstrøm, der genereres på denne måde, hvirvler rundt om forhindringer som f.eks. Maskiner eller borde. I sikkerhedsbænke skabes laminære strømningsbetingelser ved hjælp af specielle systemer, der har ventilatorer, filtre og luftfordelere (såkaldte laminarisatorer). Rummet, hvorigennem der ikke er returstrøm, har en defineret renrumskvalitet (afhængigt af de anvendte filtre), da kun steril luft forbliver i rummet eller mulige partikler blæses væk på en rettet måde.

I industrien bruges lav-turbulens (kvasi-laminar) strømme, hvor produktforurening med partikler i luften skal undgås. Luftstrømmen reducerer turbulensen af ​​eksisterende partikler og fjerner dem gennem luftstrømmen rettet nedad. Dette gør dem interessante til applikationer, hvor den øgede risiko for partikeldannelse (f.eks. På grund af friktion mellem bevægelige dele) skal kompenseres, f.eks. B. ved påfyldning af lægemidler. Typiske eksempler er rene lokaler inden for halvlederteknologi , medicin og apotek.

En anden anvendelse er arbejdsstationer, hvor eksplosive pulvere anvendes (pulvere fremstillet af organiske materialer, såsom mel). På grund af den laminære strømning kan disse pulvere ikke sprede sig i luften og nå status for en eksplosiv luft-fast blanding.

En stor nyskabelse i Pharmacy Operating Regulations 2005 ABO er, at produktionen af ​​sterile lægemidler - især øjendråber eller lægemidler, der skal administreres parenteralt - skal foregå i laboratoriet ved hjælp af en laminær strømning eller en isolator i overensstemmelse med den kendte teknik inden for videnskab og teknologi, medmindre produktionen udføres i ét eget sterilt rum.

Se også

• turbulent flow
• Karmans hvirvelstrøg

litteratur

• Joseph H. Spurk, Nuri Aksel : Fluid Mechanics. En introduktion til teorien om strømme . 6., udvidede udgave. Springer, Berlin et al. 2006, ISBN 3-540-26293-8 . 

Weblinks

• Vortexfri strømning af en ikke-viskøs væske
• Video: Laminar Flow . Institute for Scientific Film (IWF) 2004, stillet til rådighed af Technical Information Library (TIB), doi : 10.3203 / IWF / C-14815 .
• Video: Reynolds farvetrådforsøg - overgang fra laminar til turbulent flow . Institute for Scientific Film (IWF) 2004, stillet til rådighed af Technical Information Library (TIB), doi : 10.3203 / IWF / C-14881 .
• Video: Overgang fra laminar til turbulent flow . Institute for Scientific Film (IWF) 1960, stillet til rådighed af Technical Information Library (TIB), doi : 10.3203 / IWF / C-816 .

Individuelle beviser

1. ↑ Ernst GRIMSEHL : Textbook of Physics. Bind 1: Mekanik, termodynamik, akustik. 15. udgave, redigeret af Walter Schallreuter. Teubner, Leipzig 1954, s. 271-273.
2. ↑ ^{a b} Wonder of Technology - The Super Tower . Sendes på N24 den 24. august 2014.
3. ↑ Profiludkast - Institut for Aerodynamik og Gasdynamik. Hentet 11. marts 2021 . 
4. ↑ aerodesign profil katalog - svævefly modeller. Hentet 11. marts 2021 . 
5. ↑ Fluid Mechanics 2. Tilgås 11. marts 2021 .