Ламинарный поток ( / ˈ l æ m ɪ n ər / ) — это свойство частиц жидкости в динамике жидкости следовать по гладким траекториям в слоях, при этом каждый слой плавно движется мимо соседних слоев с небольшим смешиванием или без него. [1] При низких скоростях жидкость имеет тенденцию течь без бокового смешивания, а соседние слои плавно скользят друг мимо друга. Нет никаких поперечных токов, перпендикулярных направлению потока, а также водоворотов или завихрений жидкостей. [2] В ламинарном потоке движение частиц жидкости очень упорядочено, причем частицы, близкие к твердой поверхности, движутся по прямым линиям, параллельным этой поверхности. [3] Ламинарный поток — это режим потока, характеризующийся высокой диффузией импульса и низкой конвекцией импульса .
Когда жидкость течет через закрытый канал, такой как труба или между двумя плоскими пластинами, может возникнуть один из двух типов потока в зависимости от скорости и вязкости жидкости: ламинарный поток или турбулентный поток . Ламинарный поток возникает при более низких скоростях, ниже порогового значения, при котором поток становится турбулентным. Пороговая скорость определяется безразмерным параметром, характеризующим поток, называемым числом Рейнольдса , который также зависит от вязкости и плотности жидкости и размеров канала. Турбулентный поток - это менее упорядоченный режим потока, который характеризуется завихрениями или небольшими пакетами частиц жидкости, которые приводят к боковому перемешиванию. [2] В ненаучных терминах ламинарный поток является плавным , в то время как турбулентный поток является грубым .
Тип потока, происходящего в жидкости в канале, важен в задачах гидродинамики и впоследствии влияет на тепло- и массоперенос в жидкостных системах. Безразмерное число Рейнольдса является важным параметром в уравнениях, которые описывают, приводят ли полностью развитые условия потока к ламинарному или турбулентному течению. Число Рейнольдса представляет собой отношение инерционной силы к сдвигающей силе жидкости: насколько быстро движется жидкость относительно ее вязкости , независимо от масштаба жидкостной системы. Ламинарный поток обычно возникает, когда жидкость движется медленно или жидкость очень вязкая. По мере увеличения числа Рейнольдса, например, за счет увеличения расхода жидкости, поток будет переходить от ламинарного к турбулентному течению в определенном диапазоне чисел Рейнольдса, диапазон ламинарно-турбулентного перехода зависит от малых уровней возмущения в жидкости или несовершенств в системе потока. Если число Рейнольдса очень мало, намного меньше 1, то жидкость будет демонстрировать стоксово , или ползущее, течение, при котором вязкие силы жидкости преобладают над инерционными силами.
Конкретный расчет числа Рейнольдса и значения, при которых возникает ламинарный поток, будут зависеть от геометрии системы потока и схемы потока. Распространенным примером является поток через трубу , где число Рейнольдса определяется как
где:
Для таких систем ламинарный поток возникает, когда число Рейнольдса ниже критического значения, приблизительно равного 2040, хотя диапазон перехода обычно находится в пределах от 1800 до 2100. [4]
Для систем жидкостей, возникающих на внешних поверхностях, таких как поток мимо объектов, взвешенных в жидкости, другие определения чисел Рейнольдса могут использоваться для прогнозирования типа потока вокруг объекта. Число Рейнольдса для частиц Re p будет использоваться для частиц, взвешенных в текущих жидкостях, например. Как и в случае с потоком в трубах, ламинарный поток обычно происходит при более низких числах Рейнольдса, в то время как турбулентный поток и связанные с ним явления, такие как образование вихрей , происходят при более высоких числах Рейнольдса.
Распространенное применение ламинарного течения — плавное течение вязкой жидкости через трубку или трубопровод. В этом случае скорость течения изменяется от нуля у стенок до максимума вдоль центра поперечного сечения сосуда. Профиль течения ламинарного течения в трубке можно рассчитать, разделив поток на тонкие цилиндрические элементы и приложив к ним вязкую силу. [5]
Другим примером является поток воздуха над крылом самолета . Пограничный слой представляет собой очень тонкую пленку воздуха, лежащую над поверхностью крыла (и всеми другими поверхностями самолета). Поскольку воздух имеет вязкость , этот слой воздуха имеет тенденцию прилипать к крылу. Когда крыло движется вперед через воздух, пограничный слой сначала плавно течет по обтекаемой форме аэродинамического профиля . Здесь поток ламинарный, а пограничный слой является ламинарным слоем. Прандтль применил концепцию ламинарного пограничного слоя к аэродинамическим профилям в 1904 году. [6] [7]
Повседневным примером является медленное, плавное и оптически прозрачное течение мелкой воды через гладкую преграду. [8]
Когда вода выходит из крана без аэратора с небольшой силой, она сначала демонстрирует ламинарный поток, но поскольку немедленно наступает ускорение силой тяжести, число Рейнольдса потока увеличивается со скоростью, и ламинарный поток воды ниже по течению от крана может перейти в турбулентный поток. Оптическая прозрачность при этом снижается или полностью теряется.
Ламинарный поток воздуха используется для разделения объемов воздуха или предотвращения попадания в зону загрязняющих веществ, содержащихся в воздухе. Вытяжные шкафы с ламинарным потоком воздуха используются для исключения попадания загрязняющих веществ из чувствительных процессов в науке, электронике и медицине. Воздушные завесы часто используются в коммерческих помещениях для предотвращения прохождения нагретого или охлажденного воздуха через дверные проемы. Реактор с ламинарным потоком (LFR) — это реактор , который использует ламинарный поток для изучения химических реакций и механизмов процесса. Конструкция ламинарного потока для разведения крыс с целью лечения заболеваний была разработана Биллом и др. в 1971 году и стала стандартом во всем мире [9] , включая тогдашний Восточный блок . [10]
