什么是湍流 - 定义

紊流的特征是流体颗粒的不规则运动(也可以说混沌)。湍流往往发生在较高的速度,低粘度。优德app热能工程

湍流

在流体优德体育w88官网手机版力学中,湍流的特点是不规则的运动可以这么说混乱的)流体。相比层流量流体不是在平行的层中流动,横向混合非常高,而且在层之间有中断。湍流的另一个特征是再循环,涡流和明显的随机性。在紊流中,流体在某一点上的速度在大小和方向上都不断地发生变化。

对紊流流态特性的详细了解在工程中是很重要的,因为大多数工业流,尤其是在核工程动荡不安的。不幸的是,湍流的高度间歇性和不规则性使所有的分析。事实上,人们常说乱流是“古典数学物理中的最后一个未解决的问题。”

他们分析的主要工具是计算流体动力学分析。CFD是流体力学的一个分支,它使用数值分析和算法来解决和分析涉及湍流流动的问题。人们普遍认为Navier-Stokes方程(或简化Reynolds-averaged n - s方程)能够显示出湍流解,而这些方程基本上是所有CFD代码的基础。

参见:内部流

参见:外流

湍流的特点

  • 湍流往往会发生在更高的速度,低粘度并且在更高版本线性特征维度
  • 当雷诺数大于Re > 3500时,流动为湍流。
  • 不规则性:这种流动的特点是流体颗粒的不规则运动。流体粒子的运动是混乱的。由于这个原因,紊流通常用统计的方法而不是确定的方法来处理。
  • 扩散率:在湍流中,管道部分存在相当平的速度分布,结果是整个流体在给定的单个值下流动,并迅速地靠近墙壁。对流动中增强混合和增加的质量率,动量和能量传输负责的特性被称为“扩散率”。
  • Rotationality:湍流具有很强的三维涡生成机制。这种机制被称为漩涡拉伸。
  • 损耗:耗散过程是指粘性剪切应力将湍流动能转化为内能的过程。

Reynolds号码

雷诺数惯性力量粘滞力是一个方便的参数来预测是否流动条件层流和紊流。它可以被解释为当粘滞力它们足以保持所有的流体颗粒在一条线上,然后流动是层流。即使非常低的Re也表明粘性爬行运动,在那里惯性效应是可以忽略不计的。当惯性力主导在粘性力的作用下(当流体流动得更快,Re更大时),流动就变成了湍流。

雷诺数

这是一个无量纲数由流动的物理特性组成。雷诺数越高,湍流度越高。

定义为:
雷诺数

地点:
V是流速,
D是一个特征线性尺寸,(流体的流动长度;水力直径等等。)
ρ流体密度(kg/m3.),
μ动态粘度(Pa.s),
ν运动粘度(m2/ s);ν=μ/ρ。

层流与紊流

层流与紊流

层流:

  • Re < 2000
  • “低”的速度
  • 流体粒子向内移动直线
  • 水层以不同的速度流过另一层几乎没有混合层之间。
  • 环状管道层流的流动速度廓线呈抛物线状,中心流动最大,管壁流动最小。
  • 平均流速约为最大流速的一半。
  • 简单的数学分析是可能的。
  • 水系统实践中罕见

紊流:

  • 再保险> 4000
  • 高的速度
  • 流程的特点是不规则的运动流体的粒子
  • 平均运动方向与水流方向一致
  • 湍流的流速轮廓在管道的中心部分上相当扁平,并且迅速地靠近墙壁。
  • 平均流速近似等于管道中心的流速。
  • 数学分析是很难的。
  • 最常见的流的类型
外流管
在错流管。
来源:Blevins, r.d.(1990),流动诱导振动,第2版。, Van Nostrand Reinhold Co.。
流态分类
从实际工程的角度来看,流态可按下列方法进行分类几个标准

所有流体流动分为两种广泛类别或制度之一。这两个流动制度是:

  • 单相流体流动
  • 多相流体流动(或两相流体流动)

这是一个基本分类。所有的流体流动方程(如。88top优德官网中文版 )和本节中讨论的关系(优德体育w88官网手机版)衍生出一个流量单相流体,无论是液体还是蒸汽。多相流体流动的解为非常复杂和困难因此,它通常在流体动力学的高级课程中。优德体育w88官网手机版

流动制度另一种更常见的分类流动制度是根据形状和类型的吗流线。所有的流体都可以分为两大类。流体流动可以是层流或湍流,因此这两类是:

  • 层流
  • 湍流

层流的特点是光滑的或在常规的路径流体的粒子因此,层流也称为流线型或粘性流。与层流相反,湍流的特点是不规则的运动流体的粒子紊流不是在平行的层中流动,横向混合非常高,而且在层之间有中断。大多数工业流量,特别是核工程的人是湍流

流态也可以根据导管几何形状或流量区域。从这个角度来看,我们区分:

  • 内部流
  • 外流

内部流是流体由表面限制的流动。内部流动制度的行为的详细知识是在工程中很重要,因为圆形管可以承受高压力,因此用于传送液体。另一方面,外部流是这样的流动,边界层自由地发展,没有相邻表面施加的约束。详细的行为知识外部流政权是特别是在航空中的重要性空气动力学

表从生命中流动的流体
雷诺数表
从寿命中的桌子在移动流体中:史蒂文vogel流的物理生物学
雷诺斯号码制度
流动制度层流。出于实际目的,如果雷诺数是不到2000时,流动为层流。在圆管内流动时,接受的过渡雷诺数为再保险D,休息= 2300。

过渡流。在雷诺数大约在2000到4000之间由于湍流的开始,流动是不稳定的。这些流有时被称为过渡流。

湍流。如果雷诺数是大于3500时,气流是湍流的。大多数核设施中的流体系统在湍流中运行。

图:水的粘度和密度(16MPa)
水的粘度- 16MPa
水密度:16mpa

紊流速度分布

速度剖面-内部流动
资料来源:美国能源,热力学,传热和流体流动部。w88优德appw88优德备用网址 微博DOE基础知识手册,第1卷,2和3. 1992年6月。

幂律速度剖面-紊流速度剖面

幂律速度剖面速度概况湍流管道中心部分(即紊流核心部分)比管内更平吗层流量。在极接近壁面处,流速急剧下降。这是由于湍流的扩散性。

在紊流管道中,经验速度分布较多。最简单也是最著名的是幂律速度剖面:

幂律速度剖面方程

指数n是一个常数它的值取决于雷诺数。这种依赖是经验的,如图所示。总之,n值随雷诺数的增加而增大。七分之一幂律速度剖面近似于许多工业流量。

紊流剖面
紊流剖面

湍流的例子

示例:通过主要管道流动
典型的主要电路pwr分为4个独立的循环(管道直径约〜700mm),每个环包括一个蒸汽发生器和一个主冷却剂泵。一次管道的流动速度是恒定的,等于17米/秒。雷诺数主管道内部等于:

再保险D= 17 [m/s] x 0.7 [m] / 0.12×106[M.2/s] = 9900 000。

这完全满足了动荡的条件

例子:流经反应堆堆芯
水力直径
燃料棒束的水力直径。

在压水堆的反应堆压力容器内,冷却剂首先流向反应堆堆芯外(通过贬低)。从压力容器的底部,流体被反向向上流过在美国,当冷却剂穿过燃料棒及其组成的组件时,温度会上升。雷诺数燃料通道内等于:

再保险DH= 5 [m/s] x 0.01 [m] / 0.12×106[M.2/s] = 416 600。

这也完全满足了动荡的条件

参见:水力直径

示例:从香烟上升的烟雾。
雷诺数-烟在最初的几厘米内,水流肯定是层流的。然而,在前缘的某一时刻,随着雷诺数的增加,流动会自然地向紊流过渡。雷诺数随流速和特征长度的增加而增加。

湍流边界层

的概念边界层在所有粘性流体动力学,空气动力学,以及传热理论中都很重要。优德体育w88官网手机版w88优德备用网址 微博在平板上展开的流动中,展示了所有层流和紊流边界层的基本特征。边界层的形成阶段如下图所示:

平板上的边界层

边界层可以是层流,或动荡不安的取决于价值雷诺数。这里的雷诺数也表示惯性力与粘性力的比率,是一个方便的参数来预测流动条件将是层流或湍流。定义为:

雷诺数

其中V为平均流速,D为特征线性维数,ρ流体密度,μ动力粘度,ν运动粘度。

较低的雷诺数,边界层为层流,当远离壁面时,沿流方向的速度均匀变化,如图左侧所示。随着雷诺数的增加(用x)流量变得不稳定最后,当雷诺数较高时,边界层为湍流,沿流速度表现为边界层内的非定常(随时间变化)旋流。

从层流到湍流的过渡当雷诺数超过x时产生边界层再保险x~ 500000。过渡可能发生得更早,但它特别依赖于表面粗糙度。由于机体表面剪应力的增加,湍流边界层比层流边界层增厚得更快。

参见:边界层厚度

参见:管中的管道 - 外部流动

特殊的参考:Schlichting Herrmann, Gersten Klaus。边界层理论,北京:清华大学出版社,2000

例如:过渡层
一个又长又薄的平板与A平行放置1米/秒20°C。设20℃时水的运动粘度为1×1062/秒

什么距离X.从前沿将是过渡从层流到湍流边界层(即找到REx~ 500000)。

解决方案:

为了确定从层流到湍流边界层的过渡位置,我们必须找到x再保险x~ 500000

x= 50 000 x 1×106[M.2[m/s] =0.5米

湍流-传热系数w88优德备用网址 微博

外部湍流

平均值努塞尔特数由以下因素决定:

湍流-平板-努赛尔数

这个关系给出了平均值w88优德备用网址 微博传热系数对于整个盘子只有当流动是动荡不安的整个盘子,或者当层流量相对于湍流区域的板的区域太小。

内部湍流- Dittus-Boelter

参见:Dittus-boelter方程

充分开发(流体动力学和热力学)湍流在光滑的圆形管中,局部努塞尔特数可以从名人那里获得吗Dittus-Boelter方程。的Dittus-boelter方程这个问题很容易解决,但如果在不同温度之间存在较大的温差,就不那么准确了流体对于粗糙的管(许多商业应用)来说,较低的准确性,因为它量身定制到光滑的管子。

迪图斯-伯尔特方程-公式

Dittus-Boelter相关性可用于小到中等温差,T- T.avg,在平均温度T下计算所有特性avg

对于特性变化较大的流动,修正(例如粘度修正系数)/μμ,例如,……必须考虑在内Sieder和Tate.推荐。

柯尔莫哥洛夫微尺度

在柯尔莫戈洛夫看来(安德烈谢苗诺夫柯尔莫哥洛夫是一位对概率论和湍流数学做出重大贡献的俄罗斯数学家吗各种尺度。从一个宏观此时能量供给a微尺度通过粘度消散能量。

以积云为例。的宏观云可以是一个顺序公里并可能长时间增长或持续。在云端,eddies.可能发生的尺度的顺序毫米。对于较小的流,如管道中的流,微尺度可能要小得多。湍流的大部分动能都包含在宏观尺度结构中。能量通过惯性机制从宏观结构“级联”到微观结构。这个过程被称为湍流能量级联

最小的尺度在湍流中被称为柯尔莫哥洛夫微尺度。它们足够小以至于分子扩散变得很重要粘滞能量耗散发生,湍流动能散发成热量。

湍流中最小的尺度,即柯尔莫哥洛夫微尺度是:

kolmogorov microssopes.

其中ε是单位质量湍流动能耗散率的平均速率,其维度为(m2/秒3.)。ν是流体的运动粘度,具有尺寸(m2/ s)。

流动中最小涡流的大小由粘度决定。的柯尔莫哥洛夫长度随着粘度的降低,水垢减小。非常高雷诺数流动,粘性力相对于惯性力较小。然后,必然产生较小的刻度运动,直到粘度变得重要,能量消散。湍流中最大到最小长度的比例与雷诺数成比例(升高四分之三的力量)。

Kolmogorov Microscales  - 方程式

这导致湍流的直接数值模拟几乎不可能。例如,考虑一个流量雷诺数106。在这种情况下,L/ L与10成比例18/4。由于我们必须分析三维问题,我们需要计算一个由至少1014网格点。这远远超过现有计算机的能力和可能性。

引用:
反应堆物理和热水力学:
  1. 李志明,《核反应堆理论概论》,北京:清华大学出版社,2003年。
  2. 拉马什、巴拉塔,《核工程概论》,北京:科学出版社,2001,ISBN: 0-201-82498-1。
  3. 史泰西,《核反应堆物理学》,台北:科学出版社,2001,ISBN: 0- 471-39127-1。
  4. Glasstone Sesonske。核反应堆工程:反应堆系统工程,施普林格;第四版,1994,ISBN: 978-0412985317
  5. 核系统第一卷:热液压基础,第二版。CRC出版社;2版,2012,ISBN: 978-0415802871
  6. [2]张志华,张建平。核电站系统热力学。w88优德app施普林格;2015年,ISBN: 978-3-319-13419-2
  7. MORAN MICHAL J.,Shapiro Howard N.工程热力学的基础,第五版,John Wiley&Sons,2w88优德app006,ISBN:978-0-470-03037-0
  8. 现代流体动力学。优德体育w88官网手机版2010, ISBN 978-1-4020-8670-0。
  9. 美国能源、热力学、传热和流体流动部。w88优德appw88优德备用网址 微博DOE基础知识手册,第1卷,2和3. 1992年6月。
  10. White Frank M.,流体力学,McGraw-Hill教育,第七版,2010年2月,ISBN: 978-0077422417

参见:

优德体育w88官网手机版

我们希望这篇文章,湍流,帮助你。如果是这样,给我们个赞在侧边栏。这个网站的主要目的是帮助公众了解一些有关热能工程的有趣和重要的信息。优德app