مقاله جریان های آرام در اتاق های تمیز. جریان هوا آرام و متلاطم

دو تا هستند اشکال گوناگوندو رژیم جریان سیال: جریان آرام و آشفته. اگر هر لایه نازک انتخاب شده در امتداد جریان نسبت به لایه های همسایه بدون اختلاط با آنها بچرخد، جریان آرام (لایه ای) نامیده می شود و اگر تشکیل گرداب شدید و اختلاط مایع (گاز) در طول جریان اتفاق بیفتد، متلاطم (گرداب) نامیده می شود.

لامینارجریان سیال در سرعت های کم حرکت آن مشاهده می شود. در جریان آرام، مسیر همه ذرات موازی است و در شکل خود از مرزهای جریان پیروی می کند. به عنوان مثال، در یک لوله گرد، مایع در لایه های استوانه ای حرکت می کند که ژنراتیکس آن موازی با دیواره ها و محور لوله است. در یک کانال مستطیل شکل و بی نهایت پهن، مایع، همانطور که بود، در لایه های موازی با کف خود حرکت می کند. در هر نقطه از جریان، سرعت در جهت ثابت می ماند. اگر سرعت همزمان با زمان و قدر تغییر نکند، حرکت را ثابت می نامند. برای حرکت آرام در یک لوله، نمودار توزیع سرعت در مقطع به شکل یک سهمی با حداکثر سرعت در محور لوله و با مقدار صفر در دیواره است که در آن یک لایه مایع چسبنده تشکیل شده است. . لایه بیرونی مایع مجاور سطح لوله ای که در آن جریان دارد در اثر نیروهای پیوستگی مولکولی به آن می چسبد و بی حرکت می ماند. سرعت لایه های بعدی هر چه بیشتر باشد فاصله آنها از سطح لوله بیشتر است و لایه ای که در امتداد محور لوله حرکت می کند بیشترین سرعت را دارد. مشخصات میانگین سرعت جریان آشفته در لوله ها (شکل 53) با افزایش سریعتر سرعت υ با مشخصات سهموی جریان آرام مربوطه متفاوت است.

شکل 9پروفیل (نمودار) جریان سیال آرام و متلاطم در لوله ها

مقدار متوسط ​​سرعت در مقطع لوله گرد با جریان آرام آرام توسط قانون هاگن-پوازوی تعیین می شود:

(8)

که در آن p 1 و p 2 - فشار در دو مقطع لوله که از یکدیگر در فاصله Δx فاصله دارند. r - شعاع لوله؛ η ضریب ویسکوزیته است.

قانون Hagen-Poiseuille را می توان به راحتی تأیید کرد. به نظر می رسد که برای مایعات معمولی فقط در نرخ جریان کم یا اندازه لوله های کوچک معتبر است. به طور دقیق تر، قانون هاگن-پوازی فقط برای مقادیر کوچک عدد رینولدز برآورده می شود:

(9)

که در آن υ میانگین سرعت در مقطع لوله است. ل - اندازه مشخصه، در این مورد - قطر لوله؛ ν - ضریب ویسکوزیته سینماتیکی.

دانشمند انگلیسی آزبورن رینولدز (1842 - 1912) در سال 1883 آزمایشی را بر اساس طرح زیر انجام داد: در ورودی لوله ای که جریان ثابتی از مایع از طریق آن جریان دارد، یک لوله نازک به گونه ای قرار داده شده بود که سوراخ آن بر روی محور قرار گیرد. لوله. رنگ از طریق لوله به جریان مایع وارد شد. تا زمانی که جریان آرام وجود داشت، رنگ تقریباً در امتداد محور لوله به شکل یک نوار نازک و به شدت محدود حرکت می کرد. سپس، شروع از مقدار معینی از سرعت، که رینولدز آن را آشفتگی‌های موجی بحرانی و گردابه‌های میرایی سریع فردی روی نوار نامید. با افزایش سرعت، تعداد آنها بیشتر شد و شروع به توسعه کردند. با سرعت معینی، نوار به گرداب‌های جداگانه‌ای تقسیم می‌شود که در کل ضخامت جریان مایع منتشر می‌شود و باعث اختلاط و رنگ‌آمیزی شدید کل مایع می‌شود. این جریان نامیده شده است آشفته .

با شروع از مقدار بحرانی سرعت، قانون Hagen-Poiseuille نیز نقض شد. رینولدز با تکرار آزمایش‌ها با لوله‌هایی با قطرهای مختلف، با مایعات مختلف دریافت که سرعت بحرانی که در آن موازی بردارهای سرعت جریان نقض می‌شود بسته به اندازه جریان و ویسکوزیته مایع متفاوت است، اما همیشه به این صورت است. که عدد بی بعد
مقدار ثابت معینی در ناحیه انتقال از جریان آرام به جریان آشفته به خود گرفت.

دانشمند انگلیسی O. Reynolds (1842 - 1912) ثابت کرد که ماهیت جریان به کمیت بی بعدی به نام عدد رینولدز بستگی دارد:

(10)

جایی که ν = η/ρ ویسکوزیته سینماتیکی، ρ چگالی مایع، υ av میانگین سرعت مایع در مقطع لوله است. ل- مشخصه اندازه خطیبه عنوان مثال قطر لوله

بنابراین، تا مقدار معینی از عدد Re، یک جریان آرام آرام وجود دارد و سپس، در محدوده معینی از مقادیر این عدد، جریان آرام از پایداری خارج می شود و اغتشاشات میرایی کمابیش سریع ظاهر می شود. در جریان رینولدز این مقادیر عدد را بحرانی Re cr نامید. با افزایش بیشتر در مقدار عدد رینولدز، حرکت متلاطم می شود. محدوده مقادیر بحرانی Re معمولاً بین 1500-2500 قرار دارد. لازم به ذکر است که ارزش Recr تحت تأثیر ماهیت ورودی لوله و میزان ناهمواری دیواره های آن است. با دیواره های بسیار صاف و ورودی لوله به خصوص صاف، مقدار بحرانی عدد رینولدز را می توان به 20000 رساند و اگر ورودی لوله دارای لبه های تیز، سوراخ ها و غیره باشد یا دیواره های لوله ناهموار باشد، مقدار Re cr می تواند کاهش به 800-1000

در جریان آشفته، ذرات سیال مولفه های سرعت عمود بر جریان را به دست می آورند، بنابراین می توانند از یک لایه به لایه دیگر حرکت کنند. سرعت ذرات مایع با دور شدن از سطح لوله به سرعت افزایش می یابد، سپس کمی تغییر می کند. از آنجایی که ذرات مایع از یک لایه به لایه دیگر عبور می کنند، سرعت آنها در لایه های مختلف کمی متفاوت است. به دلیل گرادیان سرعت زیاد در نزدیکی سطح لوله، معمولا گرداب هایی تشکیل می شود.

جریان آشفته مایعات در طبیعت و تکنولوژی رایج ترین است. جریان هوا در جو، آب در دریاها و رودخانه ها، در کانال ها، در لوله ها همیشه متلاطم است. در طبیعت، حرکت آرام هنگام تصفیه آب در منافذ ریز خاک های ریزدانه رخ می دهد.

مطالعه جریان آشفته و ساخت نظریه آن بسیار پیچیده است. مشکلات تجربی و ریاضی این تحقیقات تاکنون فقط تا حدی برطرف شده است. بنابراین، تعدادی از مشکلات عملا مهم (جریان آب در کانال ها و رودخانه ها، حرکت هواپیما با مشخصات معین در هوا و غیره) باید به طور تقریبی یا با آزمایش مدل های مربوطه در لوله های هیدرودینامیکی ویژه حل شوند. . برای انتقال از نتایج به‌دست‌آمده از مدل به پدیده در طبیعت، از نظریه تشابه به اصطلاح استفاده می‌شود. عدد رینولدز یکی از معیارهای اصلی برای تشابه جریان سیال چسبناک است. بنابراین، تعریف آن عملا بسیار مهم است. در این کار، گذار از جریان آرام به جریان آشفته مشاهده می شود و چندین مقدار از عدد رینولدز تعیین می شود: در ناحیه جریان آرام، در ناحیه انتقال (جریان بحرانی) و در جریان آشفته.

در دینامیک سیالات، جریان آرام (جریان‌شده) زمانی اتفاق می‌افتد که یک سیال در لایه‌ها بدون گسست بین لایه‌ها جریان یابد.

در سرعت های پایینمایع تمایل دارد بدون اختلاط جانبی جریان یابد - لایه های مجاور مانند کارت های بازی از کنار یکدیگر می لغزند. هیچ جریان عرضی عمود بر جهت جریان، گرداب یا ضربان وجود ندارد.

در یک جریان آرام، حرکت ذرات سیال به صورت منظم، در امتداد خطوط مستقیم، موازی با سطح اتفاق می‌افتد. جریان آرام یک رژیم جریان با انتشار مومنتوم بالا و همرفت حرکتی کم است.

اگر سیال از طریق یک کانال بسته (لوله) یا بین دو صفحه مسطح جریان یابد، بسته به سرعت و ویسکوزیته سیال، جریان آرام یا آشفته می تواند رخ دهد. جریان آرام در سرعت های پایین تر که زیر آستانه ای است که در آن متلاطم می شود، رخ می دهد. جریان آشفته یک رژیم جریان کمتر منظم است، با گردابه ها یا بسته های کوچک ذرات سیال، که منجر به اختلاط جانبی می شود. در اصطلاح غیر علمی، جریان آرام را صاف می گویند.

با این حال، برای درک بهتر جریان "لامینار"، بهتر است یک بار ببینیم که این جریان "لامینار" چگونه به نظر می رسد. سیال در حال حرکت و حرکت نکردن توصیف بسیار مشخصی از جریان آرام است. جریان مانند یک جت یخ زده است، اما کافی است دست خود را زیر این جت قرار دهید تا حرکت آب (هر مایع دیگری) را ببینید.

هنگامی که یک سیال از طریق یک کانال بسته مانند یک لوله یا بین دو صفحه مسطح جریان می یابد، بسته به سرعت و ویسکوزیته سیال یکی از دو نوع جریان می تواند انجام شود: جریان آرام یا جریان آشفته. جریان آرام تمایل دارد در سرعت های پایین تر، زیر آستانه ای که در آن متلاطم می شود، رخ دهد. جریان آشفته یک رژیم جریان کمتر منظم است که با گرداب ها یا بسته های کوچک ذرات مایع که منجر به اختلاط جانبی می شود مشخص می شود. در اصطلاح غیر علمی، جریان آرام است صاف، در حالی که جریان متلاطم است بی ادب .

رابطه با عدد رینولدز

نوع جریان رخ داده در مایع در کانال دارد اهمیتدر مسائل دینامیک سیالات، و سپس بر انتقال گرما و جرم در سیستم های سیال تاثیر می گذارد. عدد رینولدز بدون بعد یک پارامتر مهم در معادلات است که توضیح می دهد که آیا باید شرایط جریان کاملاً توسعه یافته را به جریان آرام یا متلاطم وارد کرد. عدد رینولدز نسبت نیروی اینرسی به نیروی برشی یک سیال است: سرعت حرکت یک سیال نسبت به چسبندگی آن، صرف نظر از مقیاس سیستم سیال، چقدر است. جریان آرام معمولاً زمانی اتفاق می افتد که سیال به کندی حرکت می کند یا سیال بسیار چسبناک است. در افزایش عدد رینولدز، برای مثال، با افزایش سرعت جریان سیال، بسته به سطوح کوچک تداخل در سیال یا نواقص، در افزایش عدد رینولدز، جریان از جریان آرام به جریان آشفته در محدوده معینی از اعداد رینولدز از گذار محدوده آرام- آشفته تبدیل می‌شود. در سیستم جریان اگر عدد رینولدز بسیار کوچک، بسیار کمتر از 1 باشد، سیال جریان استوکس یا خزنده را نشان می‌دهد، جایی که نیروی ویسکوزیته سیال تحت سلطه نیروهای اینرسی است.

محاسبه خاص عدد رینولدز، و مقادیری که در آن جریان آرام رخ می دهد، به هندسه سیستم جریان و ساختار جریان بستگی دارد. مثال کلیجریان از طریق یک لوله، که در آن عدد رینولدز به صورت تعریف شده است

R e = ρ u DH μ = u DH ν = QDH ν A , (\displaystyle \mathrm (Re) =(\frac (\rho uD_(\text(H)))(\mu ))=(\frac ( uD_(\text(H)))(\nu ))=(\frac (QD_(\text(H)))(\nu A))) دی H قطر لوله هیدرولیک (m) است. سجریان حجمی (m 3 / s) است. این مساحت لوله در مقطع (m2) است. Uمیانگین سرعت سیال (واحد SI: m/s) است. μ ویسکوزیته دینامیکی مایع را نشان می دهد (Pa s \u003d N s / m 2 \u003d kg / (m s))؛ ν ویسکوزیته سینماتیکی سیال است، ν = μ / ص (m 2 / s)؛ ρ نشان دهنده چگالی مایع (kg/m3) است.

برای چنین سیستم‌هایی، جریان آرام زمانی رخ می‌دهد که عدد رینولدز کمتر از مقدار بحرانی تقریباً 2040 باشد، اگرچه محدوده انتقال معمولاً بین 1.800 و 2.100 است.

برای سیستم های هیدرولیکی که بر روی سطوح خارجی رخ می دهند، مانند جریان در اطراف اجسام معلق در سیال، تعاریف دیگری برای اعداد رینولدز می تواند برای پیش بینی نوع جریان در اطراف یک جسم استفاده شود. ذرات عدد رینولدز Re p برای ذرات معلق در یک مایع جاری به عنوان مثال استفاده می شود. مانند جریان در لوله‌ها، جریان آرام در اعداد رینولدز پایین‌تر رخ می‌دهد، در حالی که جریان آشفته و پدیده‌های مرتبط، مانند گرداب‌ها، در اعداد رینولدز بالاتر رخ می‌دهند.

مثال ها

کاربرد کلی جریان آرام در جریان صاف یک سیال چسبناک از طریق یک لوله یا لوله. در این حالت، سرعت جریان از صفر بر روی دیواره های حداکثر در امتداد مرکز مقطع کشتی تغییر می کند. مشخصات جریان یک جریان آرام در یک لوله را می توان با تقسیم جریان به عناصر استوانه ای نازک و اعمال نیروی چسبناک به آنها محاسبه کرد.

مثال دیگر می تواند جریان هوا بر روی بال هواپیما باشد. لایه مرزی یک صفحه بسیار نازک از هوا است که روی سطح بال (و سایر سطوح هواپیما) قرار دارد. از آنجایی که هوا دارای ویسکوزیته است، این لایه هوا تمایل دارد به بال بچسبد. همانطور که بال در هوا به جلو حرکت می کند، لایه مرزی ابتدا به آرامی بر روی شکل جریان از ایرفویل جریان می یابد. در اینجا جریان آرام است و لایه مرزی یک لایه آرام است. پراندل مفهوم لایه مرزی آرام را در سطوح آیرودینامیکی در سال 1904 به کار برد.

موانع جریان آرام

جریان هوای آرام برای جداسازی حجم هوا یا جلوگیری از ورود آلاینده های موجود در هوا به یک منطقه استفاده می شود. هودهای جریان لامینار برای از بین بردن آلودگی های ناشی از فرآیندهای حساس در زمینه های علمی، الکترونیک و پزشکی استفاده می شوند. پرده‌های هوا اغلب در محیط‌های تجاری استفاده می‌شوند تا هوای گرم یا خنک‌شده را از طریق درها عبور دهند. راکتور جریان آرام (LFR) راکتوری است که از جریان آرام برای مطالعه واکنش‌های شیمیایی و مکانیسم‌های فرآیند استفاده می‌کند.

طی ده سال گذشته، در خارج از کشور و در کشور ما، تعداد بیماری های چرکی-التهابی به دلیل عفونت هایی که نام "بیمارستانی" (HAI) را به خود اختصاص داده اند - طبق تعریف سازمان بهداشت جهانی (WHO) افزایش یافته است. با توجه به تجزیه و تحلیل بیماری های ناشی از عفونت های بیمارستانی، می توان گفت که مدت زمان و فراوانی آنها به طور مستقیم به وضعیت محیط هوا در محوطه بیمارستان بستگی دارد. به منظور اطمینان از پارامترهای ریز اقلیم مورد نیاز در اتاق های عمل (و اتاق های تمیز تولیدی)، از پخش کننده های هوای یک طرفه استفاده می شود. همانطور که توسط نتایج کنترل نشان داده شده است محیطو تجزیه و تحلیل حرکت جریان هوا، عملکرد چنین توزیع کننده هایی می تواند پارامترهای ریزاقلیم مورد نیاز را فراهم کند، با این حال، بر ترکیب باکتریولوژیکی هوا تأثیر منفی می گذارد. برای دستیابی به درجه حفاظت لازم از ناحیه بحرانی، لازم است جریان هوایی که از دستگاه خارج می شود، شکل مرزها را از دست ندهد و یک خط حرکت مستقیم را حفظ کند، به عبارت دیگر، جریان هوا نباید باریک یا تنگ شود. بر روی منطقه انتخاب شده برای محافظت، که در آن میز جراحی قرار دارد، گسترش دهید.

در ساختار یک بیمارستان، اتاق های عمل به دلیل اهمیت فرآیند جراحی و فراهم بودن شرایط ریز اقلیمی لازم برای انجام و تکمیل موفقیت آمیز این فرآیند، بیشترین مسئولیت را می طلبد. منبع اصلی انتشار ذرات مختلف باکتری به طور مستقیم کادر پزشکی است که در حین حرکت در اتاق، ذرات تولید کرده و میکروارگانیسم ها را آزاد می کند. شدت ظهور ذرات جدید در فضای هوای اتاق به دما، میزان تحرک افراد، سرعت حرکت هوا بستگی دارد. HBI معمولاً با جریان هوا در اتاق عمل حرکت می کند و احتمال نفوذ آن به حفره آسیب پذیر زخم بیمار عمل شده هرگز کاهش نمی یابد. همانطور که مشاهدات نشان داده است، سازماندهی نادرست سیستم های تهویه معمولاً منجر به تجمع سریع عفونت در اتاق می شود که سطح آن ممکن است از حد مجاز فراتر رود.

چندین دهه است که کارشناسان خارجی سعی در ایجاد راه حل های سیستمی برای اطمینان از شرایط لازم برای محیط هوای اتاق های عمل دارند. جریان هوایی که وارد اتاق می شود نه تنها باید پارامترهای میکروکلیم را حفظ کند، بلکه عوامل مضر (گرما، بو، رطوبت، مواد مضر) و همچنین حفظ حفاظت از مناطق انتخاب شده از احتمال ورود عفونت به آنها، که به معنای اطمینان از تمیزی هوای مورد نیاز در اتاق های عمل است. منطقه ای که در آن عملیات تهاجمی (نفوذ به بدن انسان) انجام می شود، منطقه «بحرانی» یا عملیاتی نامیده می شود. استاندارد چنین منطقه ای را به عنوان "منطقه حفاظتی بهداشتی عامل" تعریف می کند، این مفهوم به معنای فضایی است که میز عمل، تجهیزات، میز ابزار و پرسنل پزشکی در آن قرار دارند. چیزی به نام "هسته فناوری" وجود دارد. به منطقه ای اطلاق می شود که در آن فرآیندهای تولیددر شرایط استریل، این ناحیه می تواند به طور معناداری با اتاق عمل مرتبط باشد.

به منظور جلوگیری از نفوذ آلودگی باکتریایی به بحرانی ترین مناطق، روش های غربالگری مبتنی بر استفاده از جابجایی هوا به طور گسترده استفاده می شود. برای این منظور، توزیع‌کننده‌های جریان هوای آرام توسعه‌یافته‌اند که دارند طراحی متفاوت. بعدها، «لامینار» به جریان «یک جهته» معروف شد. امروزه می توانید گزینه های مختلفی برای نام دستگاه های توزیع هوا برای اتاق های تمیز پیدا کنید، به عنوان مثال، "سقف چند لایه"، "لامینار"، " سیستم عاملهوای پاک، "سقف عملیاتی" و غیره، اما این جوهر آنها را تغییر نمی دهد. توزیع کننده هوا در ساختار سقف بالای منطقه محافظت شده اتاق تعبیه شده است. این می تواند در اندازه های مختلف باشد، بستگی به جریان هوا دارد. مساحت بهینه چنین سقفی نباید کمتر از 9 متر مربع باشد تا بتواند منطقه را با جداول، پرسنل و تجهیزات کاملاً پوشش دهد. جریان هوای جابجا شده در بخش‌های کوچک به آرامی از بالا به پایین وارد می‌شود، بنابراین میدان آسپتیک منطقه عملیاتی، منطقه‌ای که مواد استریل از محیط منتقل می‌شود، جدا می‌شود. هوا به طور همزمان از مناطق پایین و بالایی اتاق محافظت شده خارج می شود. فیلترهای HEPA (کلاس H مطابق با ) در سقف تعبیه شده اند که اجازه می دهد هوا در آنها جریان یابد. فیلترها فقط ذرات زنده را بدون ضدعفونی به دام می اندازند.

V در این اواخردر سطح جهانی، توجه به مسائل ضدعفونی هوا در بیمارستان ها و سایر مؤسساتی که در آنها منابع آلودگی باکتریایی وجود دارد، افزایش یافته است. اسناد الزامات لازم را برای ضد عفونی کردن هوای اتاق های عمل با راندمان غیرفعال سازی ذرات 95٪ یا بیشتر تعیین می کند. تجهیزات سیستم های آب و هوا و کانال های هوا نیز در معرض ضدعفونی هستند. باکتری ها و ذرات ساطع شده توسط پرسنل جراحی به طور مداوم وارد هوای اتاق شده و در آن تجمع می یابند. برای جلوگیری از رسیدن غلظت مواد مضر در اتاق به حداکثر حد مجاز، نظارت مداوم بر محیط هوا ضروری است. این کنترل پس از نصب سیستم تهویه مطبوع، تعمیر و یا بدون نقص انجام می شود نگهدارییعنی زمانی که اتاق تمیز در حال استفاده است.

در حال حاضر برای طراحان مرسوم شده است که از توزیع کننده های هوای جریان یک طرفه بسیار ظریف با فیلترهای سقفی داخلی در اتاق های عمل استفاده کنند.

جریان های هوا با حجم زیاد به آرامی به سمت پایین محل حرکت می کنند، بنابراین منطقه محافظت شده را از هوای اطراف جدا می کنند. با این حال، بسیاری از متخصصان نگران نیستند که این راه حل ها به تنهایی برای حفظ سطح مورد نیاز ضد عفونی هوا در طول عملیات جراحی کافی نیستند.

تعداد زیادی گزینه طراحی برای دستگاه های توزیع هوا پیشنهاد شده است که هر یک از آنها در یک منطقه خاص کاربرد خود را دریافت کرده اند. اتاق های عمل ویژه در بین خود در کلاس خود بسته به هدف با توجه به درجه تمیزی به زیر کلاس ها تقسیم می شوند. مثلا اتاق های عمل جراحی قلب، عمومی، ارتوپدی و .... هر کلاس شرایط تمیزی خاص خود را دارد.

برای اولین بار، پخش کننده های هوا برای اتاق های تمیز در اواسط دهه 1950 مورد استفاده قرار گرفت. از آن زمان، توزیع هوا در اماکن صنعتی در مواردی که لازم است از کاهش غلظت میکروارگانیسم ها یا ذرات اطمینان حاصل شود، سنتی شده است، همه اینها از طریق یک سقف سوراخ شده انجام می شود. جریان هوا در یک جهت در کل حجم اتاق حرکت می کند، در حالی که سرعت یکنواخت باقی می ماند - تقریباً 0.3 - 0.5 متر در ثانیه. هوا از طریق گروهی از فیلترهای هوای با راندمان بالا که در سقف اتاق تمیز قرار داده شده اند، تامین می شود. جریان هوا بر اساس اصل یک پیستون هوا تامین می شود که به سرعت در کل اتاق به سمت پایین حرکت می کند و مواد مضر و آلودگی را از بین می برد. هوا از طریق کف خارج می شود. این حرکت هوا می تواند آلاینده های موجود در هوا را از فرآیندها و افراد حذف کند. سازماندهی چنین تهویه ای با هدف اطمینان از تمیزی لازم هوا در اتاق عمل است. عیب آن این است که به جریان هوای زیادی نیاز دارد که مقرون به صرفه نیست. برای اتاق های تمیز کلاس ISO 6 (طبق طبقه بندی ISO) یا کلاس 1000، تبادل هوا 70-160 بار در ساعت مجاز است. بعداً دستگاه های ماژولار کارآمدتری جایگزین آنها شدند که دارای ابعاد کوچکتر و هزینه کم بودند که به شما امکان می دهد یک دستگاه تأمین هوا را انتخاب کنید ، از اندازه منطقه حفاظتی و نرخ تبادل هوای مورد نیاز در اتاق بسته به هدفش.

عملکرد پخش کننده های هوای آرام

دستگاه های لامینار برای استفاده در اتاق های تمیز برای توزیع هوا با حجم زیاد طراحی شده اند. برای اجرا، سقف های طراحی شده خاص، تنظیم فشار اتاق و هود کف مورد نیاز است. هنگامی که این شرایط برآورده شود، توزیع کننده های جریان آرام لزوماً جریان یک طرفه مورد نیاز را با خطوط جریان موازی تولید می کنند. به دلیل نرخ تبادل هوای بالا، شرایط نزدیک به همدما در جریان هوای تامینی حفظ می شود. سقف ها که برای توزیع هوا در مبادلات هوای بزرگ طراحی شده اند، به دلیل مساحت سطح بزرگشان، سرعت جریان شروع کم را ارائه می دهند. کنترل تغییرات فشار هوا در اتاق و نتیجه عملکرد دستگاه های اگزوز حداقل ابعاد مناطق چرخش هوا را تضمین می کند، در اینجا اصل "یک گذر و یک خروج" کار می کند. ذرات معلق روی زمین می ریزند و حذف می شوند، بنابراین بازیافت آنها تقریبا غیرممکن است.

با این حال، در شرایط اتاق عمل، چنین بخاری های هوا تا حدودی متفاوت عمل می کنند. به منظور تجاوز نکردن از سطوح مجاز خلوص باکتریولوژیکی هوا در اتاق های عمل، طبق محاسبات، مقادیر تبادل هوا حدود 25 برابر در ساعت و گاهی اوقات حتی کمتر است. به عبارت دیگر، این مقادیر با مقادیر محاسبه شده برای اماکن صنعتی قابل مقایسه نیستند. به منظور حفظ جریان هوای پایدار بین اتاق عمل و اتاق های مجاور، اتاق عمل تحت فشار قرار می گیرد. هوا از طریق دستگاه های اگزوز که به طور متقارن در دیواره های منطقه پایین نصب شده اند خارج می شود. برای توزیع حجم کمتری از هوا، از دستگاه های لامینار با مساحت کوچکتر استفاده می شود، آنها مستقیماً بالای منطقه بحرانی اتاق به صورت جزیره ای در وسط اتاق نصب می شوند و کل سقف را اشغال نمی کنند.

مشاهدات نشان داده است که چنین پخش کننده های هوای آرام همیشه قادر به ارائه جریان یک طرفه نیستند. از آنجایی که تفاوت بین دما در جت هوای تغذیه و دمای هوای محیط 5-7 درجه سانتیگراد اجتناب ناپذیر است، هوای سردتر خروجی از واحد تغذیه بسیار سریعتر از یک جریان همدما یک طرفه سقوط می کند. این یک اتفاق رایج برای دیفیوزرهای سقفی نصب شده در آن است مکان های عمومی. این عقیده که لامینارها پایداری یک طرفه را فراهم می کنند جریان هوادر هر صورت، صرف نظر از اینکه کجا و چگونه استفاده می شود، اشتباه است. پس از همه، در شرایط واقعیسرعت جریان آرام عمودی با دمای پایین با پایین آمدن به سمت کف افزایش می یابد.

با افزایش حجم هوای تامین و کاهش دمای آن نسبت به هوای اتاق، شتاب جریان آن افزایش می یابد. همانطور که در جدول نشان داده شده است، به لطف استفاده از یک سیستم آرام با مساحت 3 متر مربع و اختلاف دمای 9 درجه سانتیگراد، سرعت هوا در فاصله 1.8 متر از خروجی سه برابر افزایش می یابد. در خروجی دستگاه لامینار، سرعت هوا 0.15 متر بر ثانیه و در ناحیه میز عمل - 0.46 متر بر ثانیه است که از حد مجاز فراتر می رود. بسیاری از مطالعات مدتهاست ثابت کرده اند که با افزایش سرعت جریان عرضه، "یک جهته" بودن آن حفظ نمی شود.

	مصرف هوا، m 3 / (h m 2)	فشار، Pa	سرعت هوا در فاصله 2 متری از پانل، m/s
			3 درجه سانتی گراد T	6 درجه سانتی گراد T	8 درجه سانتی گراد T	11 درجه سانتی گراد T	NC
تک پنل	183	2	0,10	0,13	0,15	0,18	<20
	366	8	0,18	0,20	0,23	0,28	<20
	549	18	0,25	0,31	0,36	0,41	21
	732	32	0,33	0,41	0,48	0,53	25
1.5 - 3.0 متر مربع	183	2	0,10	0,15	0,15	0,18	<20
	366	8	0,18	0,23	0,25	0,31	22
	549	18	0,25	0,33	0,41	0,46	26
	732	32	0,36	0,46	0,53	–	30
بیش از 3 متر مربع	183	2	0,13	0,15	0,18	0,20	21
	366	8	0,20	0,25	0,31	0,33	25
	549	18	0,31	0,38	0,46	0,51	29
	732	32	0,41	0,51	–	–	33

تحلیل‌های لوئیس (لوئیس، 1993) و سالواتی (1982) از کنترل هوا در اتاق‌های عمل نشان داد که در برخی موارد استفاده از یونیت‌های آرام با سرعت هوای بالا باعث افزایش سطح آلودگی هوا در ناحیه جراحی می‌شود. برش، که می تواند منجر به عفونت او شود.

وابستگی تغییر نرخ جریان هوا به دمای هوای تامین و مساحت پانل آرام در جدول نشان داده شده است. هنگامی که هوا از نقطه شروع حرکت می کند، خطوط جریان به موازات یکدیگر حرکت می کنند، سپس مرزهای جریان تغییر می کند، باریک شدن به سمت کف ایجاد می شود، و بنابراین، دیگر نمی تواند از منطقه ای که با ابعاد تعیین شده است محافظت کند. نصب لامینار با داشتن سرعت 0.46 متر بر ثانیه، جریان هوا هوای غیرفعال اتاق را جذب می کند. و از آنجایی که باکتری ها به طور مداوم وارد اتاق می شوند، ذرات آلوده وارد جریان هوا می شوند و از واحد تغذیه خارج می شوند. این امر با گردش مجدد هوا که به دلیل فشار بیش از حد هوا در اتاق اتفاق می افتد تسهیل می شود.

برای حفظ پاکیزگی اتاق های عمل، طبق هنجارها، باید با افزایش 10 درصدی ورودی بیشتر از عصاره، از عدم تعادل هوا اطمینان حاصل کرد. هوای اضافی وارد اتاق های مجاور و درمان نشده می شود. در اتاق‌های عمل مدرن، اغلب از درب‌های کشویی هرمتیک استفاده می‌شود، سپس هوای اضافی نمی‌تواند خارج شود و در اطراف اتاق گردش می‌کند، پس از آن با استفاده از فن‌های تعبیه‌شده به داخل واحد تغذیه بازگردانده می‌شود، سپس در فیلترها تمیز می‌شود و مجدداً عرضه می‌شود. اتاق. جریان هوای گردشی همه آلاینده‌ها را از هوای اتاق جمع‌آوری می‌کند (اگر نزدیک جریان هوای تامینی حرکت کند، می‌تواند آن را آلوده کند). از آنجایی که مرزهای جریان نقض می شود، مخلوط شدن هوا از فضای اتاق به آن و در نتیجه نفوذ ذرات مضر به منطقه استریل محافظت شده اجتناب ناپذیر است.

افزایش تحرک هوا مستلزم لایه برداری شدید ذرات پوست مرده از نواحی باز پوست پرسنل پزشکی است که پس از آن وارد برش جراحی می شوند. با این حال، از سوی دیگر، ایجاد بیماری های عفونی در طول دوره توانبخشی پس از عمل جراحی، نتیجه وضعیت هیپوترمی بیمار است که با قرار گرفتن در معرض جریان های هوای سرد متحرک تشدید می شود. بنابراین، کارکرد منطقی یک توزیع‌کننده هوای سنتی جریان آرام در اتاق تمیز می‌تواند نه تنها مزایا، بلکه مضراتی را در طول عملیات انجام شده در اتاق عمل معمولی به همراه داشته باشد.

این ویژگی برای دستگاه های لامینار با مساحت متوسط ​​حدود 3 متر مربع - بهینه برای محافظت از منطقه عملیاتی است. طبق الزامات آمریکایی، سرعت جریان هوا در خروجی دستگاه آرام نباید بیشتر از 0.15 متر در ثانیه باشد، یعنی از منطقه 0.09 متر مربع، 14 لیتر در ثانیه هوا. باید بیاد تو اتاق در این حالت، 466 لیتر در ثانیه (1677.6 متر مکعب در ساعت) یا حدود 17 بار در ساعت جریان می یابد. از آنجایی که با توجه به ارزش هنجاری تبادل هوا در اتاق های عمل، باید 20 بار در ساعت، مطابق - 25 بار در ساعت باشد، پس 17 بار در ساعت کاملاً با استانداردهای لازم مطابقت دارد. به نظر می رسد که مقدار 20 بار در ساعت برای اتاقی با حجم 64 متر مکعب مناسب است.

طبق استانداردهای فعلی، مساحت پروفیل جراحی عمومی (اتاق عمل استاندارد) باید حداقل 36 متر مربع باشد. با این حال، الزامات بالاتری به اتاق های عمل در نظر گرفته شده برای عملیات پیچیده تر (ارتوپدی، قلب و غیره) تحمیل می شود، اغلب حجم چنین اتاق های عمل حدود 135 - 150 متر مکعب است. برای چنین مواردی یک سیستم توزیع هوا با مساحت و ظرفیت هوای زیاد مورد نیاز خواهد بود.

اگر هوا برای اتاق‌های عمل بزرگ‌تر فراهم شود، این امر منجر به مشکل حفظ جریان آرام از سطح خروجی به میز عمل می‌شود. مطالعات جریان هوا در چندین اتاق عمل انجام شد. در هر یک از آنها پانل های چند لایه نصب شد که با توجه به مساحت اشغال شده می توان آنها را به دو گروه 1.5 - 3 متر مربع و بیش از 3 متر مربع تقسیم کرد و واحدهای تهویه مطبوع آزمایشی ساخته شد که به شما امکان تغییر مقدار را می دهد. از دمای هوای عرضه شده در طول مطالعه، اندازه‌گیری‌هایی از سرعت جریان هوای ورودی در نرخ‌های جریان مختلف و تغییرات دما انجام شد. این اندازه گیری ها در جدول قابل مشاهده است.

معیارهای تمیزی اتاق های عمل

برای سازماندهی مناسب گردش و توزیع هوا در اتاق، لازم است اندازه منطقی پانل های تامین را انتخاب کنید، از سرعت جریان عادی و دمای هوای تامین اطمینان حاصل کنید. با این حال، این عوامل ضد عفونی مطلق هوا را تضمین نمی کنند. بیش از 30 سال است که دانشمندان موضوع ضدعفونی کردن اتاق‌های عمل را حل کرده و اقدامات ضد اپیدمی مختلفی ارائه می‌کنند. امروزه الزامات اسناد نظارتی مدرن برای بهره برداری و طراحی محوطه بیمارستان با هدف ضدعفونی هوا مواجه شده است، جایی که سیستم های HVAC راه اصلی برای جلوگیری از تجمع و گسترش عفونت ها هستند.

به عنوان مثال، طبق استاندارد، هدف اصلی الزامات آن ضد آلودگی است و می‌گوید: «یک سیستم HVAC با طراحی مناسب، انتشار ویروس‌ها، هاگ‌های قارچی، باکتری‌ها و سایر آلاینده‌های بیولوژیکی را در هوا به حداقل می‌رساند» که نقش عمده‌ای در کنترل دارد. عفونت ها و سایر عوامل مضر سیستم HVAC را بازی می کند. B الزامات سیستم های تهویه مطبوع اتاق را تعریف می کند که بیان می کند که طراحی سیستم تامین هوا باید نفوذ باکتری ها همراه با هوا را به مناطق تمیز به حداقل برساند و بالاترین سطح ممکن تمیزی را در بقیه اتاق عمل حفظ کند.

با این حال، اسناد نظارتی شامل الزامات مستقیمی نیست که منعکس کننده تعریف و کنترل اثربخشی ضد آلودگی محل با روش های مختلف تهویه باشد. بنابراین هنگام طراحی باید به جستجوهایی بپردازید که به زمان زیادی نیاز دارند و به شما اجازه انجام کار اصلی را نمی دهند.

حجم زیادی از ادبیات نظارتی در مورد طراحی سیستم های تهویه مطبوع برای اتاق های عمل منتشر شده است، الزامات ضد عفونی هوا را شرح می دهد، که به دلایل مختلف برای طراحان بسیار دشوار است. برای انجام این کار، فقط دانستن تجهیزات ضدعفونی مدرن و قوانین کار با آن کافی نیست، همچنین لازم است کنترل اپیدمیولوژیک به موقع هوای داخل خانه را حفظ کنید، که ایده ای از کیفیت سیستم های HVAC ایجاد می کند. این، متأسفانه، همیشه رعایت نمی شود. اگر ارزیابی تمیزی اماکن صنعتی بر اساس وجود ذرات (مواد معلق) در آن باشد، شاخص تمیزی در اتاق‌های تمیز بیمارستان با ذرات زنده باکتریایی یا کلنی‌ساز نشان داده می‌شود که سطوح مجاز آنها در آن آورده شده است. برای اینکه از این سطوح تجاوز نکنید، نظارت منظم هوای داخل ساختمان برای شاخص‌های میکروبیولوژیکی ضروری است، برای این منظور باید میکروارگانیسم‌ها را شمارش کرد. روش جمع آوری و محاسبه برای ارزیابی سطح پاکی محیط هوا در هیچ سند نظارتی ارائه نشده است. بسیار مهم است که شمارش میکروارگانیسم ها در اتاق کار در طول عملیات انجام شود. اما این نیاز به یک پروژه تمام شده و نصب یک سیستم توزیع هوا دارد. تعیین درجه ضد عفونی یا کارایی سیستم قبل از شروع کار در اتاق عمل غیرممکن است، این فقط در طی حداقل چند عمل انجام می شود. در اینجا تعدادی از مشکلات برای مهندسان ایجاد می شود، زیرا تحقیقات لازم با رعایت انضباط ضد اپیدمی محوطه بیمارستان در تضاد است.

روش پرده هوا

سازماندهی مناسب کار مشترک ورود و حذف هوا، رژیم هوای مورد نیاز اتاق عمل را فراهم می کند. برای بهبود ماهیت حرکت جریان هوا در اتاق عمل، لازم است از موقعیت نسبی منطقی اگزوز و دستگاه های تامین اطمینان حاصل شود.

برنج. 1. تجزیه و تحلیل عملکرد پرده هوا

استفاده از مساحت کل سقف برای پخش هوا و استفاده از کل کف برای استخراج امکان پذیر نیست. دریچه های کف غیربهداشتی هستند زیرا به سرعت کثیف می شوند و به سختی تمیز می شوند. سیستم های پیچیده، حجیم و گران قیمت زیاد در اتاق های عمل کوچک استفاده نمی شوند. بنابراین، منطقی ترین قرار دادن "جزیره" پانل های آرام در بالای منطقه حفاظت شده و نصب دهانه های اگزوز در قسمت پایین اتاق است. این امکان سازماندهی جریان هوا را با قیاس با اماکن صنعتی تمیز فراهم می کند. این روش ارزان تر و فشرده تر است. پرده های هوا که به عنوان یک مانع محافظ عمل می کنند با موفقیت استفاده می شوند. پرده هوا به جریان هوای تغذیه متصل است و یک "پوسته" باریک از هوا با سرعت بالاتر را تشکیل می دهد که به طور خاص در اطراف محیط سقف ایجاد می شود. چنین پرده ای دائماً برای اگزوز کار می کند و اجازه نمی دهد هوای آلوده محیط وارد جریان آرام شود.

برای درک بهتر نحوه عملکرد پرده هوا، اتاق عمل را تصور کنید که در چهار طرف اتاق یک فن اگزوز نصب شده است. هجوم هوا که از "جزیره آرام" واقع در مرکز سقف می آید فقط می تواند پایین بیاید، در حالی که با نزدیک شدن به کف به سمت دیوارها گسترش می یابد. این محلول باعث کاهش نواحی گردش مجدد و اندازه مناطق رکودی می شود که در آن میکروارگانیسم های مضر جمع آوری می شوند، از مخلوط شدن هوای اتاق با جریان آرام جلوگیری می کند، شتاب آن را کاهش می دهد، سرعت را تثبیت می کند و همپوشانی جریان پایین کل منطقه استریل را به دست می آورد. این به جداسازی منطقه حفاظت شده از هوای اطراف کمک می کند و امکان حذف آلاینده های بیولوژیکی از آن را فراهم می کند.

برنج. شکل 2 طرحی استاندارد از یک پرده هوا را نشان می دهد که دارای شکاف هایی در اطراف محیط اتاق است. اگر یک اگزوز را در امتداد محیط جریان آرام سازماندهی کنید، کشیده می شود، جریان هوا منبسط می شود و کل ناحیه زیر پرده را پر می کند و در نتیجه از اثر "تنیک شدن" جلوگیری می شود و میزان جریان آرام مورد نیاز تثبیت خواهد شد.

برنج. 2. نمودار پرده هوا

روی انجیر شکل 3 سرعت واقعی هوا را برای یک پرده هوا که به درستی طراحی شده را نشان می دهد. آنها به وضوح تعامل یک پرده هوا با یک جریان آرام را نشان می دهند که به طور یکنواخت حرکت می کند. پرده هوا از نصب یک سیستم اگزوز حجیم در کل محیط اتاق جلوگیری می کند. در عوض، همانطور که در اتاق های عمل مرسوم است، یک هود سنتی در دیوارها نصب می شود. پرده هوا به عنوان محافظت از ناحیه اطراف کارکنان جراحی و میز عمل می کند و از بازگشت ذرات آلوده به جریان هوای اولیه جلوگیری می کند.

برنج. 3. مشخصات سرعت واقعی در بخش پرده هوا

با استفاده از پرده هوا چه سطحی از ضد عفونی را می توان به دست آورد؟ اگر طراحی ضعیفی داشته باشد، تأثیری بیشتر از یک سیستم آرام نخواهد داشت. می توانید با سرعت زیاد هوا اشتباه کنید ، سپس چنین پرده ای می تواند جریان هوا را سریعتر از حد لازم "کشش" کند و زمان رسیدن به میز عمل را نخواهد داشت. رفتار جریان کنترل نشده می تواند خطر ورود ذرات آلوده به منطقه حفاظت شده از سطح کف را ایجاد کند. همچنین پرده ای با سرعت مکش ناکافی قادر به مسدود کردن کامل جریان هوا نخواهد بود و ممکن است به داخل آن کشیده شود. در این حالت حالت هوای اتاق عمل مانند زمانی است که فقط از دستگاه لامینار استفاده می شود. در طول طراحی، باید محدوده سرعت را به درستی شناسایی کرده و سیستم مناسب را انتخاب کنید. محاسبه ویژگی های ضد عفونی به این بستگی دارد.

پرده های هوا دارای چندین مزیت متمایز هستند، اما نباید از آنها در همه جا استفاده کرد، زیرا همیشه لازم نیست که جریان استریل در طول عملیات ایجاد شود. تصمیم گیری در مورد میزان لازم برای اطمینان از سطح ضدعفونی هوا به طور مشترک با جراحان درگیر در این عملیات گرفته می شود.

نتیجه

جریان آرام عمودی بسته به شرایط استفاده از آن همیشه قابل پیش بینی نیست. پانل های لامینار که در محیط های صنعتی تمیز کار می کنند، اغلب سطح لازم ضد عفونی را در اتاق های عمل فراهم نمی کنند. نصب سیستم های پرده هوا به کنترل ماهیت حرکت جریان های هوای آرام عمودی کمک می کند. پرده های هوا به کنترل باکتریولوژیک هوا در اتاق های عمل کمک می کند، به ویژه در طول مداخلات جراحی طولانی مدت و حضور مداوم بیماران با سیستم ایمنی ضعیف، که عفونت های موجود در هوا برای آنها خطر بزرگی است.

مقاله توسط A.P. Borisoglebskaya با استفاده از مطالب مجله ASHRAE تهیه شده است.

ادبیات

1. SNiP 2.08.02-89*. ساختمان ها و سازه های عمومی.
2. SanPiN 2.1.3.1375–03. الزامات بهداشتی برای مکان، آرایش، تجهیزات و بهره برداری از بیمارستان ها، زایشگاه ها و سایر بیمارستان های پزشکی.
3. دستورالعمل سازماندهی تبادل هوا در بخش‌ها و بلوک‌های عملیاتی بیمارستان‌ها.
4. دستورالعمل مسائل بهداشتی طراحی و بهره برداری از بیمارستان ها و بخش های عفونی.
5. کتابچه راهنمای SNiP 2.08.02-89* در مورد طراحی امکانات مراقبت های بهداشتی. GiproNIIzdrav از وزارت بهداشت اتحاد جماهیر شوروی. م.، 1990.
6. GOST ISO 14644-1-2002. اتاق های تمیز و محیط های کنترل شده مرتبط. بخش 1. طبقه بندی خلوص هوا.
7. GOST R ISO 14644-4-2002. اتاق های تمیز و محیط های کنترل شده مرتبط. بخش 4. طراحی، ساخت و راه اندازی.
8. GOST R ISO 14644-5-2005. اتاق های تمیز و محیط های کنترل شده مرتبط. بخش 5. عملیات.
9. GOST 30494-96. ساختمان های مسکونی و عمومی. پارامترهای ریزاقلیم در محل.
10. GOST R 51251-99. فیلترهای تصفیه هوا طبقه بندی. علامت گذاری.
11. GOST R 52539-2006. خلوص هوا در موسسات پزشکی الزامات کلی.
12. GOST R IEC 61859-2001. اتاق های پرتودرمانی الزامات ایمنی عمومی
13. GOST 12.1.005-88. سیستم استانداردها
14. GOST R 52249-2004. قوانین تولید و کنترل کیفیت داروها.
15. GOST 12.1.005-88. سیستم استانداردهای ایمنی کار. الزامات عمومی بهداشتی و بهداشتی برای هوای محل کار.
16. نامه آموزنده - روشی. الزامات بهداشتی و بهداشتی برای موسسات پزشکی و پیشگیرانه دندانپزشکی.
17. MGSN 4.12-97. موسسات پزشکی
18. MGSN 2.01-99. استانداردهای حفاظت حرارتی و تامین گرما و آب.
19. دستورالعمل های روشی MU 4.2.1089-02. روش های کنترل عوامل بیولوژیکی و میکروبیولوژیکی. وزارت بهداشت روسیه. 2002.
20. دستورالعمل های روشی MU 2.6.1.1892-04. الزامات بهداشتی برای اطمینان از ایمنی پرتو در هنگام تشخیص رادیونوکلئید با استفاده از رادیوداروها. طبقه بندی اماکن مراکز درمانی.

مطالعه خواص جریان مایع و گاز برای صنعت و خدمات عمومی بسیار مهم است. جریان آرام و متلاطم بر سرعت انتقال آب، نفت، گاز طبیعی از طریق خطوط لوله برای اهداف مختلف تأثیر می گذارد و سایر پارامترها را تحت تأثیر قرار می دهد. علم هیدرودینامیک به این مسائل می پردازد.

طبقه بندی

در جامعه علمی، رژیم های جریان مایعات و گازها به دو دسته کاملاً متفاوت تقسیم می شوند:

• لامینار (جت)؛
• آشفته.

یک مرحله انتقالی نیز وجود دارد. به هر حال، اصطلاح "مایع" معنای گسترده ای دارد: می تواند تراکم ناپذیر باشد (این در واقع یک مایع است)، تراکم پذیر (گاز)، رسانا و غیره.

زمینه

حتی مندلیف در سال 1880 ایده وجود دو رژیم متضاد جریان را بیان کرد. آزبورن رینولدز، فیزیکدان و مهندس بریتانیایی، این موضوع را با جزئیات بیشتری بررسی کرد و تحقیقات خود را در سال 1883 تکمیل کرد. ابتدا، عملا، و سپس با کمک فرمول ها، او ثابت کرد که در سرعت جریان کم، حرکت مایعات شکل آرامی به دست می آورد: لایه ها (جریان ذرات) تقریباً مخلوط نمی شوند و در امتداد مسیرهای موازی حرکت می کنند. با این حال، پس از غلبه بر یک مقدار بحرانی خاص (برای شرایط مختلف متفاوت است)، به نام عدد رینولدز، رژیم‌های جریان سیال تغییر می‌کنند: جریان جت بی‌نظم می‌شود، گردابی - یعنی متلاطم. همانطور که مشخص شد، این پارامترها نیز تا حدی مشخصه گازها هستند.

محاسبات عملی دانشمند انگلیسی نشان داد که رفتار، به عنوان مثال، آب به شدت به شکل و اندازه مخزنی (لوله، کانال، مویرگ و غیره) بستگی دارد که از طریق آن جریان می یابد. در لوله های با مقطع دایره ای (از این قبیل برای نصب خطوط لوله تحت فشار استفاده می شود)، شماره رینولدز آنها - فرمول به شرح زیر است: Re \u003d 2300. برای جریان در امتداد یک کانال باز، متفاوت است: Re \u003d 900 در مقادیر پایین‌تر Re، جریان مرتب می‌شود، در کل - آشفته.

جریان آرام

تفاوت بین جریان آرام و جریان متلاطم در ماهیت و جهت جریان آب (گاز) است. آنها بدون اختلاط و بدون ضربان به صورت لایه ای حرکت می کنند. به عبارت دیگر، حرکت یکنواخت و بدون جهش نامنظم در فشار، جهت و سرعت است.

جریان آرام یک مایع، به عنوان مثال، در موجودات زنده باریک، مویرگ های گیاهان و در شرایط مشابه، در جریان مایعات بسیار چسبناک (نفت سوخت از طریق خط لوله) تشکیل می شود. برای دیدن بصری جریان جت، کافی است شیر ​​آب را کمی باز کنید - آب به آرامی، یکنواخت و بدون مخلوط شدن جریان می یابد. اگر شیر آب تا انتها بسته شود، فشار در سیستم افزایش می یابد و جریان آشفته می شود.

جریان متلاطم

بر خلاف جریان آرام، که در آن ذرات مجاور در امتداد مسیرهای تقریباً موازی حرکت می کنند، جریان آشفته یک سیال بی نظم است. اگر از رویکرد لاگرانژ استفاده کنیم، مسیرهای ذرات می توانند به طور دلخواه با هم قطع شوند و کاملاً غیرقابل پیش بینی رفتار کنند. حرکات مایعات و گازها در این شرایط همیشه ناپایدار است و پارامترهای این ناپایداری می تواند دامنه بسیار وسیعی داشته باشد.

چگونگی تبدیل جریان آرام یک گاز به گاز متلاطم را می توان با مثالی از دود ناشی از یک سیگار در حال سوختن در هوای ساکن ردیابی کرد. در ابتدا، ذرات تقریباً به صورت موازی در امتداد مسیرهایی حرکت می کنند که در زمان تغییر نمی کنند. به نظر می رسد دود ساکن است. سپس در جایی ناگهان گرداب های بزرگی ظاهر می شود که کاملاً تصادفی حرکت می کنند. این گرداب‌ها به گرداب‌های کوچک‌تر، آن‌ها به گرداب‌های کوچک‌تر و غیره تجزیه می‌شوند. در نهایت، دود عملا با هوای اطراف مخلوط می شود.

چرخه های تلاطم

مثال فوق یک کتاب درسی است و دانشمندان از مشاهدات او به نتایج زیر دست یافته اند:

1. جریان آرام و متلاطم ماهیت احتمالی دارند: انتقال از یک رژیم به رژیم دیگر در یک مکان دقیقاً مشخص رخ نمی دهد، بلکه در یک مکان کاملاً دلخواه و تصادفی رخ می دهد.
2. ابتدا گرداب های بزرگی ظاهر می شوند که اندازه آنها بزرگتر از اندازه دود است. حرکت ناپایدار و بسیار ناهمسانگرد می شود. جریان های بزرگ پایداری خود را از دست می دهند و به جریان های کوچکتر و کوچکتر تقسیم می شوند. بنابراین، یک سلسله مراتب کامل از گرداب ها به وجود می آید. انرژی حرکت آنها از بزرگ به کوچک منتقل می شود و در پایان این فرآیند ناپدید می شود - اتلاف انرژی در مقیاس های کوچک اتفاق می افتد.
3. رژیم جریان آشفته ماهیت تصادفی دارد: این یا آن گرداب می تواند در یک مکان کاملاً دلخواه و غیرقابل پیش بینی باشد.
4. اختلاط دود با هوای اطراف عملا در رژیم لامینار اتفاق نمی افتد و در رژیم آشفته بسیار شدید است.
5. علیرغم این واقعیت که شرایط مرزی ثابت است، خود آشفتگی دارای یک ویژگی غیر ثابت است - همه پارامترهای دینامیکی گاز با زمان تغییر می کنند.

یک ویژگی مهم دیگر تلاطم وجود دارد: همیشه سه بعدی است. حتی اگر یک جریان یک بعدی در یک لوله یا یک لایه مرزی دو بعدی را در نظر بگیریم، حرکت گرداب های آشفته همچنان در جهت هر سه محور مختصات رخ می دهد.

عدد رینولدز: فرمول

انتقال از آرام به آشفته با به اصطلاح عدد رینولدز بحرانی مشخص می شود:

Re cr = (ρuL/μ) cr،

که ρ چگالی شار است، u سرعت شار مشخصه است. L اندازه مشخصه جریان است، μ ضریب cr جریان از طریق لوله ای با مقطع دایره ای است.

به عنوان مثال، برای یک جریان با سرعت u در یک لوله، از آزبورن رینولدز به عنوان L استفاده می شود و نشان می دهد که در این مورد 2300

نتیجه مشابهی در لایه مرزی روی صفحه به دست می آید. به عنوان یک بعد مشخصه، فاصله از لبه جلویی صفحه گرفته می شود و سپس: 3 × 10 5

مفهوم اغتشاش سرعت

جریان آرام و متلاطم یک سیال، و بر این اساس، مقدار بحرانی عدد رینولدز (Re) به تعداد بیشتری از عوامل بستگی دارد: به گرادیان فشار، ارتفاع برآمدگی‌های زبری، شدت تلاطم در بیرون. جریان، اختلاف دما، و غیره. برای راحتی، به این عوامل کل، اغتشاش سرعت نیز می گویند، زیرا تأثیر خاصی بر سرعت جریان دارند. اگر این اغتشاش کوچک باشد، می توان آن را با نیروهای چسبناکی که تمایل به یکسان سازی میدان سرعت دارند، خاموش کرد. با اغتشاشات زیاد، جریان می تواند ثبات خود را از دست بدهد و تلاطم رخ می دهد.

با توجه به اینکه معنای فیزیکی عدد رینولدز نسبت نیروهای اینرسی و ویسکوز است، اغتشاش جریان ها تحت فرمول قرار می گیرد:

Re = ρuL/µ = ρu 2 /(µ×(u/L)).

اگر ضخامت لایه مرزی L در نظر گرفته شود، صورتگر دارای دو برابر سرعت سرعت است و مخرج مقداری است که از مرتبه تنش اصطکاک است. فشار سرعت تمایل دارد تعادل را از بین ببرد و با آن مقابله کند. با این حال، مشخص نیست که چرا (یا سر سرعت) تنها زمانی منجر به تغییرات می شود که 1000 برابر بیشتر از نیروهای ویسکوز باشد.

محاسبات و حقایق

احتمالاً راحت‌تر است که به‌عنوان سرعت مشخصه در Recr نه از سرعت جریان مطلق u، بلکه از آشفتگی سرعت استفاده کنیم. در این حالت، عدد بحرانی رینولدز حدود 10 خواهد بود، یعنی زمانی که اغتشاش هد سرعت 5 برابر از تنش های چسبناک بیشتر شود، جریان آرام سیال به یک جریان آشفته می ریزد. این تعریف از Re، به نظر تعدادی از دانشمندان، حقایق آزمایشی تایید شده زیر را به خوبی توضیح می دهد.

برای یک پروفیل سرعت ایده‌آل یکنواخت روی یک سطح ایده‌آل صاف، عدد Recr به‌طور سنتی تعیین‌شده به بی‌نهایت تمایل دارد، یعنی در واقع هیچ انتقالی به تلاطم مشاهده نمی‌شود. اما عدد رینولدز که با بزرگی اغتشاش سرعت تعیین می شود، از عدد بحرانی که 10 است، کمتر است.

در حضور توربولاتورهای مصنوعی که باعث افزایش سرعت قابل مقایسه با سرعت اصلی می شوند، جریان در مقادیر بسیار کمتر عدد رینولدز نسبت به Recr که از قدر مطلق سرعت تعیین می شود، متلاطم می شود. این امکان استفاده از مقدار ضریب Recr = 10 را فراهم می کند که در آن قدر مطلق اغتشاش سرعت ناشی از دلایل فوق به عنوان سرعت مشخصه استفاده می شود.

پایداری رژیم جریان آرام در خط لوله

جریان آرام و متلاطم مشخصه انواع مایعات و گازها در شرایط مختلف است. در طبیعت، جریان های آرام نادر هستند و معمولی هستند، به عنوان مثال، برای جریان های زیرزمینی باریک در شرایط مسطح. نگرانی دانشمندان در مورد این موضوع در زمینه کاربرد عملی برای انتقال آب، نفت، گاز و سایر مایعات فنی از طریق خطوط لوله است.

مسئله پایداری یک جریان آرام با مطالعه حرکت آشفته جریان اصلی ارتباط نزدیکی دارد. مشخص شده است که تحت تأثیر اختلالات به اصطلاح کوچک قرار دارد. بسته به اینکه آنها در طول زمان محو شوند یا رشد کنند، جریان اصلی پایدار یا ناپایدار در نظر گرفته می شود.

جریان سیالات تراکم پذیر و تراکم ناپذیر

یکی از عوامل موثر بر جریان آرام و متلاطم سیال، تراکم پذیری آن است. این ویژگی یک سیال به ویژه هنگام مطالعه پایداری فرآیندهای ناپایدار با تغییر سریع در جریان اصلی مهم است.

مطالعات نشان می دهد که جریان آرام یک سیال تراکم ناپذیر در لوله های استوانه ای در برابر آشفتگی های متقارن محوری و غیر متقارن نسبتاً کوچک در زمان و مکان مقاوم است.

اخیراً محاسباتی در مورد تأثیر اغتشاشات متقارن محوری بر پایداری جریان در قسمت ورودی یک لوله استوانه‌ای که جریان اصلی به دو مختصات بستگی دارد، انجام شده است. در این حالت مختصات در امتداد محور لوله به عنوان پارامتری در نظر گرفته می شود که پروفیل سرعت در امتداد شعاع لوله جریان اصلی به آن بستگی دارد.

نتیجه

با وجود قرن ها مطالعه، نمی توان گفت که هم جریان آرام و هم جریان آشفته به طور کامل مورد مطالعه قرار گرفته اند. مطالعات تجربی در سطح خرد سوالات جدیدی را مطرح می کند که نیاز به توجیه محاسباتی مستدل دارد. ماهیت تحقیق نیز کاربرد عملی دارد: هزاران کیلومتر خط لوله آب، نفت، گاز، محصول در جهان گذاشته شده است. هرچه راه حل های فنی بیشتری برای کاهش تلاطم در حین حمل و نقل ارائه شود، اثربخشی بیشتری خواهد داشت.