Введение
Поток, при котором частицы жидкости следуют гладкими путями в слоях. Ламинарный поток (/l//æ//m//ə//n//ə//r/) – это свойство частиц жидкости в гидродинамике следовать гладким путям в слоях, при этом каждый слой плавно обтекает соседние слои с минимальным или отсутствующим смешиванием. При низких скоростях жидкость стремится течь без поперечного смешивания, а соседние слои плавно скользят друг относительно друга. Отсутствуют встречные течения, перпендикулярные направлению потока, а также вихри или завихрения жидкости. В ламинарном потоке движение частиц жидкости очень упорядочено, при этом частицы, находящиеся вблизи твердой поверхности, движутся по прямым линиям, параллельным этой поверхности. Ламинарный поток – это режим течения, характеризующийся высокой диффузией импульса и низкой конвекцией импульса. Когда жидкость течет через замкнутый канал, такой как труба, или между двумя плоскими пластинами, в зависимости от скорости и вязкости жидкости может возникать один из двух типов течения: ламинарный поток или турбулентный поток. Ламинарный поток наблюдается при более низких скоростях, ниже порогового значения, при котором поток становится турбулентным. Пороговая скорость определяется безразмерным параметром, характеризующим поток, – числом Рейнольдса, которое также зависит от вязкости и плотности жидкости, а также от размеров канала. Турбулентный поток – это менее упорядоченный режим течения, характеризующийся вихрями или небольшими группами частиц жидкости, которые приводят к боковому смешиванию. Для жидкостных систем, возникающих на внешних поверхностях, например, при обтекании объектов, находящихся во взвешенном состоянии в жидкости, могут использоваться другие определения чисел Рейнольдса для прогнозирования типа течения вокруг объекта. Например, число Рейнольдса для частиц (Rep) используется для частиц, взвешенных в текущей жидкости. Как и в случае течения в трубах, ламинарный поток обычно наблюдается при более низких числах Рейнольдса, в то время как турбулентный поток и связанные с ним явления, такие как срыв вихрей, возникают при более высоких числах Рейнольдса.
Laminar flow ('/l//æ//m//ə//n//ə//r/) is the property of fluid particles in fluid dynamics to follow smooth paths in layers, with each layer moving smoothly past the adjacent layers with little or no mixing. At low velocities, the fluid tends to flow without lateral mixing, and adjacent layers slide past one another smoothly. There are no cross currents perpendicular to the direction of flow, nor eddies or swirls of fluids. In laminar flow, the motion of the particles of the fluid is very orderly with particles close to a solid surface moving in straight lines parallel to that surface. Laminar flow is a flow regime characterized by high momentum diffusion and low momentum convection. When a fluid is flowing through a closed channel such as a pipe or between two flat plates, either of two types of flow may occur depending on the velocity and viscosity of the fluid: laminar flow or turbulent flow. Laminar flow occurs at lower velocities, below a threshold at which the flow becomes turbulent. The threshold velocity is determined by a dimensionless parameter characterizing the flow called the Reynolds number, which also depends on the viscosity and density of the fluid and dimensions of the channel. Turbulent flow is a less orderly flow regime that is characterized by eddies or small packets of fluid particles, which result in lateral mixing. For fluid systems occurring on external surfaces, such as flow past objects suspended in the fluid, other definitions for Reynolds numbers can be used to predict the type of flow around the object. The particle Reynolds number Rep would be used for particle suspended in flowing fluids, for example. As with flow in pipes, laminar flow typically occurs with lower Reynolds numbers, while turbulent flow and related phenomena, such as vortex shedding, occur with higher Reynolds numbers.
Примеры
Обычное применение ламинарного потока – это плавное течение вязкой жидкости в трубе или трубопроводе. В этом случае скорость течения меняется от нуля на стенках до максимальной в центре поперечного сечения сосуда. Профиль течения ламинарного потока в трубе можно рассчитать, разделив поток на тонкие цилиндрические элементы и приложив к ним силу вязкости. Другой пример – течение воздуха над крылом самолета. Пограничный слой – это очень тонкий слой воздуха, прилегающий к поверхности крыла (и ко всем другим поверхностям самолета). Поскольку воздух обладает вязкостью, этот слой воздуха стремится прилипать к крылу. Когда крыло движется вперед в воздухе, пограничный слой сначала плавно обтекает обтекаемую форму профиля крыла. Здесь течение является ламинарным, а пограничный слой – ламинарным. Прандтль применил концепцию ламинарного пограничного слоя к профилям крыла в 1904 году. Примером из повседневной жизни является медленное, плавное и оптически прозрачное течение неглубокой воды через гладкий барьер. Когда вода вытекает из крана без аэратора с небольшой силой, она сначала демонстрирует ламинарное течение, но по мере ускорения под действием силы тяжести число Рейнольдса течения увеличивается со скоростью, и ламинарное течение воды ниже крана может перейти в турбулентное. В этом случае оптическая прозрачность уменьшается или полностью теряется.
Ламинарные барьеры
Ламинарный воздушный поток используется для разделения воздушных потоков или предотвращения попадания взвешенных частиц в определенную область. Вытяжные шкафы с ламинарным потоком используются для защиты чувствительных процессов в науке, электронике и медицине от загрязнений. Воздушные завесы часто применяются в коммерческих помещениях для удержания нагретого или охлажденного воздуха внутри и предотвращения его выхода через дверные проемы. Ламинарный реактор (LFR) – это реактор, использующий ламинарный поток для изучения химических реакций и механизмов протекания процессов. В 1971 году Beall и др. разработали систему ламинарного содержания крыс для управления заболеваниями, которая стала общепринятым стандартом во всем мире, включая страны Восточного блока.