Пути снижения турбулентности во внутренних потоках

Часто желательно уменьшить уровень турбулентности во внутреннем потоке без изменения числа Рейнольдса или жидкости , Это может быть измерено интенсивность турбулентности Хотя другие меры могут быть лучше в других обстоятельствах. Я не видел хорошей компиляции этих методов, и я считаю, что такая компиляция может быть очень полезной для инженеров.

Ниже приведены способы, которые я знаю:

• Выпрямители потока уменьшить турбулентность и завихрение, но иметь связанный перепад давления. Вы также можете получить аналогичные эффекты с сетками, пористой средой и волокнами.

• Обычно считается, что турбулентный переход начинается в трубных потоках при числах Рейнольдса в целом около 2300 $, но ламинарные потоки при гораздо более высоких числах Рейнольдса могут быть получены с помощью экспериментальных установок лучшего качества, как обсуждалось в этот обзорный документ о турбулентном переходе в трубных потоках :

  Экспериментальные данные свидетельствуют о том, что ламинарное состояние может быть достигнуто в трубных потоках в широком диапазоне $ Re $ при рекордном значении $ Re = 100 000 $ по Пфеннигеру (1961). Самому Рейнольдсу удалось добиться $ Re = 13 000 $, и Экман (1911) позже улучшил это до $ 50 000 $, используя оригинальный аппарат Рейнольдса. Было много других (Barnes & Coker 1905, Draad et al. 1998, Gilbrech & Hale 1965, Goldstein 1965, Hof et al. 2003, Nishi et al. 2008, Paterson & Abernathy 1972, Schiller 1921, Wygnanski & amp; ; Champagne 1973), которые достигли потока Хагена-Пуазейля в широком диапазоне $ Re $, превышающем 20000, что является верхним значением на рисунке 2. Достижение ламинарных потоков при высоких значениях $ Re $ является показателем качества экспериментальная установка и дает некоторую уверенность в том, что наблюдения не будут загрязнены посторонними фоновыми возмущениями, такими как эффекты входного потока, конвекция и геометрические неровности.

  Из того, что я понимаю, в дополнение к эффектам, перечисленным выше, шероховатость поверхности и вибрация могут также вызывать турбулентность, так что вы можете задержать развитие турбулентности с более гладкими поверхностями и / или амортизацию вибрации в некоторых случаях. Стандартные критерии перехода кажутся правильными, но для систем, которые не принимают особых мер предосторожности для устранения помех.

• реламинаризации это когда турбулентный поток становится ламинарным, и это более строгая версия того, что мне нужно. Я заинтересован в снижении уровня турбулентности. Поток мог все еще оставаться турбулентным, только меньше. Вот несколько способов сделать это, обсуждаемые этим обзорная статья :

  • рассеивание турбулентности (может произойти от расширения в трубе)
  • изогнутые или вращающиеся потоки (хотя может привести к завихрениям)
  • ускорение (может произойти от сжатия в трубе)

• Существует целый ряд работ по подавлению турбулентности посредством излучения звука или вибрации. Я не знаю много об этом, но я знаю, что это существует. Если кто-то знает больше об этом, или знает хорошее место, чтобы узнать больше, мне интересно.

Если вы можете полностью заменить жидкость, это может быть хорошим вариантом для уменьшения турбулентности путем уменьшения числа Рейнольдса. Существует также множество добавок (в основном для воды?), Которые могут подавлять турбулентность (полимеры, волокна, вязкие жидкости и т. Д.), Но это совсем другой вопрос.

Какие Другой методы существуют?

Я думаю, у вас есть довольно полный список. Некоторые вещи могут быть более общими, например, выпрямители потока могут также включать аэродинамические поверхности для коррекции обтекания тупой геометрии.

Другая геометрия, которая может подпадать под вашу область, может изолировать турбулентные области потока от ламинарных областей потока. Как в индикатор потока вращающегося шарика например.

Вот основные физические способы, с помощью которых я вижу, что турбулентность уменьшается. Некоторые из ваших примеров попадают в более чем одну категорию, но я думаю, что рассмотрение этого вопроса со стороны физики будет иметь гораздо больше смысла и даст вам возможность найти больше путей.

Снижение турбулентности путем:

1. Изменение числа Рейнольдса; свойства жидкости, скорость, масштаб.
2. Изменение геометрии; неглубокие расходящиеся стенки, аэродинамические поверхности, выпрямители потока, изоляторы потока
3. Уменьшение вихревого размера; например, вибрация или смещение могут стимулировать образование маленьких вихрей вместо больших вихрей, аэродинамических профилей, выпрямителей потока
4. Рассеивание турбулентности к теплу (отвод энергии); выпрямители потока, пористые среды, волокна или полимеры, взвешенные в жидкости.

Кожа дельфина, похоже, обладает свойствами, которые ограничивают сопротивление, в том числе за счет уменьшения турбулентности:

В конце 1950-х годов аэродинамик Макс Крамер утверждал, что дельфин обеспечивает низкий уровень сопротивления трению, поддерживая ламинарный поток на большинстве частей его тела. Шкура дельфина, имеющая необычно упорядоченную внутреннюю структуру, считалась естественной податливой стенкой, эффективно снижающей возмущения потока в пограничном слое.

( Павлов: Кожа дельфина как природный анизотроп податливая стена )

Что касается объяснения того, как и почему это работает, кто-то, кто лучше меня понимает динамику жидкости, должен прочитать статью. Я подозреваю, что некоторые анизотропные свойства кожи означают, что движение, ортогональное потоку, поглощается, энергия рассеивается. Но это чистая гипотеза на данный момент.

Добавляя к этим вышеупомянутым идеям и методам, В гибких трубах наряду с гибкостью мы можем иметь нити (жгутик) на стенах. Они могут рассеивать кенетическую энергию турбулентности для того же $ Re $.

Но мы должны заплатить с точки зрения потери давления.

Устранение ламинарного внутреннего сопротивления внутри трубы; на горизонте появляется новая развивающаяся технология под названием STIC; при этом используются методы для разрушения сопротивления пограничного слоя по прямой линии, а затем обеспечивают способ для отвода частей этой турбулентности в отдельную камеру для охлаждения и повторного введения обратно в область внешней поверхности. Этот процесс использует принципы «сохранения энергии» для ускорения центрального потока; непрерывное кровотечение пограничного слоя сопротивления и турбулентности в отдельной рабочей полости. Этот новый метод не требует движущихся частей. Недавние испытания на месторождениях Баккен Ойл смогли утроить расход нефти с высоким содержанием сероводорода. Новая система изначально предназначена для улучшения расхода жидкости в различных устройствах и приложениях. Используя этот метод разгрузки нефтяных танкеров; скорость загрузки была увеличена с 300 баррелей в час до +900 баррелей в час.