Laminární a turbulentní tok tekutin: popis, vlastnosti a zajímavosti

Hydrodynamika je nejdůležitější částí fyziky, která studuje zákony pohybu tekutiny v závislosti na vnějších podmínkách. Důležitým problémem, který je zvažován v hydrodynamice, je otázka určení laminárního a turbulentního proudění kapaliny.

Co je to kapalina?

Abychom lépe porozuměli otázce laminárního a turbulentního proudění kapaliny, je třeba začít zvážit, jaká je tato látka.

Tekutina ve fyzice je jedním ze tří agregativních stavů hmoty, která za daných podmínek je schopna udržet svůj objem, ale která, když je vystavena minimálním tangenciálním silám, změní svůj tvar a začne proudit. Na rozdíl od pevného těla, v kapalině neexistují žádné síly odporu vůči vnějším účinkům, které by se snažily znovu získat svou původní podobu. Kapalina se liší od plynů tím, že je schopna udržet svůj objem při konstantním vnějším tlaku a teplotě.

Parametry popisující vlastnosti kapalin

Otázka laminárního a turbulentního toku je určena na jedné straně vlastnostmi systému, ve kterém je zvažován pohyb tekutiny, a na druhé straně charakteristikou tekuté látky. Dáváme základní vlastnosti kapalin:

• Hustota Každá tekutina je homogenní, proto pro její vlastnosti používají toto fyzikální množství, odrážející množství hmoty kapalné látky, která spadá na jeho jednotkový objem.
• Viskozita Tato hodnota charakterizuje tření, které se vyskytuje mezi různými vrstvami tekutiny v průběhu jejího toku. Vzhledem k tomu, že v kapalinách je potenciální energie molekul přibližně stejná jako jejich kinetická energie, způsobuje přítomnost určité viskozity v jakýchkoli skutečných tekutých látkách. Tato vlastnost kapalin je příčinou ztrát energie v průběhu jejich toku.
• Stlačitelnost Se zvýšeným vnějším tlakem každá tekutá látka snižuje jeho objem, avšak pro kapaliny musí být tento tlak dostatečně vysoký, aby mírně snížil objem, který je obsazuje, a proto se u většiny praktických případů považuje tento agregační stav za nestlačitelný.
• Povrchové napětí. Tato hodnota je určena právem, které musí být vynaloženo na vytvoření jednotkového povrchu kapaliny. Existence povrchového napětí v důsledku přítomnosti intermolekulárních interakčních sil v kapalinách a určení jejich kapilárních vlastností.

Laminární průtok

Při zkoumání otázky turbulentního a laminárního toku je nejprve zvážíme. Pokud se u tekutiny, která je v potrubí, vytváří tlakový rozdíl na koncích této trubky, začne proudit. Pokud je tok látky klidný a každá její vrstva se pohybuje po hladké trajektorii, která neprotíná řady pohybů jiných vrstev, pak mluvíme o režimu laminárního toku. Během ní se každá molekula tekutiny pohybuje po potrubí po určité cestě.

Laminární průtokové charakteristiky jsou následující:

• Mísení mezi jednotlivými vrstvami tekuté látky neexistuje.
• Vrstvy, které jsou blíže k ose trubky, se pohybují s vyšší rychlostí než ty, které se nacházejí na obvodu. Tato skutečnost je způsobena přítomností třecích sil mezi molekulami kapaliny a vnitřním povrchem potrubí.

Příkladem laminárního toku jsou paralelní trysky vody, které vystupují ze sprchy. Pokud se k laminárnímu toku přidá několik kapek barviva, pak můžete vidět, jak jsou vtaženy do trysky, který pokračuje v hladkém průtoku, aniž by se mísil v objemu kapaliny.

Turbulentní tok

Tento režim je zásadně odlišný od laminárního. Turbulentní tok je chaotický proud, ve kterém se každá molekula pohybuje po libovolné trajektorii, kterou lze předpovědět pouze v počátečním okamžiku. Tento režim je charakterizován turbulencí a kruhovými pohyby malých objemů v průtoku tekutiny. Navzdory náhodnosti trajektorií jednotlivých molekul se však celkový průtok pohybuje v určitém směru a tato rychlost může být charakterizována určitou průměrnou hodnotou.

Příkladem turbulentního toku je tok vody v horské řece. Pokud klesnete barvivo do takového proudu, můžete vidět, že v počátečním okamžiku se objeví tryska, která začne vykazovat zkreslení a mírné zkroucení, a pak zmizí a míchá celý objem kapaliny.

Co určuje tok tekutiny?

Laminární nebo turbulentní tokové režimy závisí na poměru dvou veličin: viskozita kapalné látky, která určuje tření mezi vrstvami tekutiny, a inerciální síly, které popisují rychlost proudění. Čím je viskóznější látka a čím pomalejší je její průtok, tím vyšší je pravděpodobnost laminárního toku. Naopak, pokud je viskozita kapaliny nízká a její rychlost je vysoká, pak bude proudění turbulentní.

Níže je video, které jasně vysvětluje vlastnosti zvažovaných režimů toku látek.

Jak určit režim toku?

Pro praxi je tato otázka velmi důležitá, protože odpověď na ni souvisí se zvláštnostmi pohybu předmětů v tekutém médiu a velikostí energetických ztrát.

Přechod mezi laminárními a turbulentními režimy toku tekutiny lze odhadnout použitím tzv. Reynoldsovych čísel. Jsou to bezrozměrné množství a jsou pojmenovány podle jména irského inženýra a fyziků Osborna Reynoldse, kteří na konci 19. století navrhli, že je budou prakticky určovat způsob pohybu tekoucí látky.

Reynoldsovo číslo (laminární a turbulentní proud tekutiny v potrubí) lze vypočítat podle následujícího vzorce: kde ρ a μ jsou hustota a viskozita látky, v je jeho průměrná průtoková rychlost, D je průměr potrubí. Ve vzorci odráží čitatel setrvačné síly nebo průtok a jmenovatel určuje třecí sílu nebo viskozitu. Z toho můžeme usoudit, že pokud je číslo Reynolds pro zvažovaný systém velké, znamená to, že tekutina proudí v turbulentním režimu a naopak malé Reynoldsovy čísla naznačují existenci laminárního toku.

Specifické hodnoty Reynoldsových čísel a jejich použití

Jak bylo uvedeno výše, číslo Reynoldsova čísla může být použito k určení laminárního a turbulentního toku. Problém spočívá v tom, že závisí na vlastnostech systému, například pokud má potrubí nepravidelnosti na jeho vnitřním povrchu, pak turbulentní proud vody v něm začne s nižšími průtoky než hladkým.

Statistika mnoha experimentů ukázala, že bez ohledu na systém a povahu tekuté látky, jestliže je číslo Reynoldsova menší než 2000, pak se uskuteční laminární pohyb, pokud je větší než 4000, tok se stává turbulentním. Mezní hodnoty čísel (od 2000 do 4000) indikují přítomnost přechodového režimu.

Uvedená čísla Reynolds se používají k určení pohybu různých technických objektů a zařízení v tekutinách, ke studiu toku vody potrubími různých tvarů a také k významné roli při studiu určitých biologických procesů, například pohybu mikroorganismů v lidských cévách.