Lamináris áramlások tiszta helyiségekben. Lamináris és turbulens légáramlás

Van két különféle formák, a folyadékáramlás két rezsimje: lamináris és turbulens áramlás. Az áramlást laminárisnak (rétegesnek) nevezzük, ha az áramlás mentén minden kiválasztott vékony réteg elcsúszik a szomszédos rétegekhez képest anélkül, hogy azokkal keveredne, turbulensnek (örvénynek) nevezzük, ha az áramlás mentén intenzív örvényképződés és folyadék (gáz) keveredés következik be.

Lemezes folyadékáramlás figyelhető meg kis mozgási sebességeknél. A lamináris áramlásban minden részecske pályája párhuzamos, és alakjában követi az áramlási határokat. Egy kerek csőben például a folyadék hengeres rétegekben mozog, amelyek generátora párhuzamos a cső falaival és tengelyével. Egy téglalap alakú, végtelenül széles csatornában a folyadék mintegy az aljával párhuzamos rétegekben mozog. Az áramlás minden pontján a sebesség az irány mentén állandó marad. Ha a sebesség egyidejűleg nem változik az időben és a nagyságrendben, a mozgást egyenletesnek nevezzük. Csőben történő lamináris mozgás esetén a keresztmetszetben a sebességeloszlás diagramja egy parabola formájú, amelynek maximális sebessége a cső tengelyén, a falakon pedig nulla értékű, ahol egy tapadó folyadékréteg képződik. A cső felületével szomszédos külső folyadékréteg, amelyben áramlik, a molekuláris kohéziós erők hatására hozzátapad és mozdulatlan marad. Minél nagyobb a következő rétegek sebessége, minél nagyobb a távolságuk a csőfelülettől, és a csőtengely mentén mozgó réteg sebessége a legnagyobb. A csövekben a turbulens áramlás átlagos sebességének profilja (53. ábra) a υ sebesség gyorsabb növekedésével tér el a megfelelő lamináris áramlás parabolaprofiljától.

9. ábraA lamináris és turbulens folyadékáramlás profiljai (diagramjai) a csövekben

A sebesség átlagos értékét egy egyenletes lamináris áramlású kerek cső keresztmetszetében a Hagen-Poiseuille törvény határozza meg:

(8)

ahol p 1 és p 2 - nyomás a cső két keresztmetszetében, amelyek egymástól Δx távolságra vannak egymástól; r - cső sugara; η a viszkozitási együttható.

A Hagen-Poiseuille törvény könnyen ellenőrizhető. Kiderült, hogy a közönséges folyadékokra csak kis áramlási sebességeknél vagy kis csőméreteknél érvényes. Pontosabban, a Hagen-Poiseuille törvény csak a Reynolds-szám kis értékeire teljesül:

(9)

ahol υ az átlagos sebesség a cső keresztmetszetében; l - jellemző méret, ebben az esetben - a cső átmérője; ν - kinematikai viszkozitási együttható.

Osborne Reynolds (1842-1912) angol tudós 1883-ban kísérletet végzett a következő séma szerint: egy cső bejáratánál, amelyen keresztül folyamatos folyadékáram folyik, egy vékony csövet helyeztek el úgy, hogy a lyuk a cső tengelyén legyen. a cső. A festéket a csövön keresztül vezették be a folyadékáramba. Amíg a lamináris áramlás fennállt, a festék megközelítőleg a cső tengelye mentén mozgott vékony, élesen korlátozott csík formájában. Ezután egy bizonyos sebességértéktől kiindulva, amit Reynolds kritikusnak nevezett, hullámzó perturbációk és egyedi, gyorsan csillapító örvények keletkeztek a szalagon. Ahogy nőtt a sebesség, úgy nőtt a számuk, és fejlődésnek indultak. Egy bizonyos sebességgel a csík különálló örvényekre bomlott fel, amelyek a folyadékáramlás teljes vastagságában terjedtek, és a teljes folyadék intenzív keveredését és elszíneződését okozták. Ezt az áramlást hívták viharos .

A sebesség kritikus értékéből kiindulva a Hagen-Poiseuille törvényt is megsértették. Különböző átmérőjű csövekkel, különböző folyadékokkal végzett kísérleteket megismételve Reynolds azt találta, hogy az a kritikus sebesség, amelynél az áramlási sebesség vektorok párhuzamossága megsérül, az áramlás nagyságától és a folyadék viszkozitásától függően változott, de mindig úgy. hogy a dimenzió nélküli szám
egy bizonyos állandó értéket vett fel a lamináris áramlásról a turbulens áramlásra való átmenet tartományában.

O. Reynolds angol tudós (1842-1912) bebizonyította, hogy az áramlás természete egy dimenzió nélküli mennyiségtől függ, amelyet Reynolds-számnak neveznek:

(10)

ahol ν = η/ρ a kinematikai viszkozitás, ρ a folyadék sűrűsége, υ av a csőszakaszon átlagolt folyadéksebesség, l- jellemző lineáris méret például a cső átmérője.

Így az Re szám bizonyos értékéig stabil lamináris áramlás létezik, majd ennek a számnak egy bizonyos értéktartományában a lamináris áramlás megszűnik stabil lenni, és különálló, többé-kevésbé gyorsan csillapító zavarok jelennek meg. az áramlásban. Reynolds a szám ezen értékeit kritikus Re cr-nek nevezte. A Reynolds-szám értékének további növekedésével a mozgás turbulenssé válik. A kritikus Re értékek területe általában 1500-2500 között van. Meg kell jegyezni, hogy a Re cr értékét befolyásolja a cső bejáratának jellege és a falak érdessége. Nagyon sima falak és különösen sima csőbevezetés esetén a Reynolds-szám kritikus értéke 20 000-re emelhető, és ha a csőbemenetnek éles szélei, sorjái stb. vannak, vagy a csőfalak érdesek, akkor a Re cr érték megnövelhető. csökken 800-1000-re.

A turbulens áramlásban a folyadékrészecskék az áramlásra merőleges sebességkomponenseket szereznek, így egyik rétegből a másikba mozoghatnak. A folyékony részecskék sebessége gyorsan növekszik, ahogy eltávolodnak a cső felületétől, majd kissé megváltozik. Mivel a folyadék részecskéi egyik rétegből a másikba jutnak, sebességük a különböző rétegekben alig különbözik. A csőfelület közelében lévő nagy sebességgradiens miatt általában örvények keletkeznek.

A természetben és a technológiában a legelterjedtebb a folyadékok turbulens áramlása. A levegő beáramlása A légkör, a víz a tengerekben és folyókban, csatornákban, csövekben mindig turbulens. A természetben a lamináris mozgás a finom szemcsés talajok finom pórusaiban történő vízszűrés során következik be.

A turbulens áramlás vizsgálata és elméletének felépítése rendkívül bonyolult. E vizsgálatok kísérleti és matematikai nehézségeit eddig csak részben sikerült leküzdeni. Ezért számos, gyakorlatilag fontos problémát (a csatornák és folyók vízáramlása, adott profilú repülőgép mozgása a levegőben stb.) meg kell oldani vagy hozzávetőlegesen, vagy a megfelelő modellek speciális hidrodinamikus csövekben történő tesztelésével. . A modellen kapott eredményekről a természeti jelenségre való átmenethez az ún. hasonlóságelméletet alkalmazzuk. A Reynolds-szám a viszkózus folyadékáramlás hasonlóságának egyik fő kritériuma. Ezért a meghatározása gyakorlatilag nagyon fontos. Ebben a munkában a lamináris áramlásról a turbulens áramlásra való átmenetet figyelték meg, és a Reynolds-szám számos értékét meghatározták: a lamináris áramlás tartományában, az átmeneti régióban (kritikus áramlás) és a turbulens áramlásban.

A folyadékdinamikában lamináris (áramvonalas) áramlásról akkor beszélünk, ha a folyadék rétegenként áramlik anélkül, hogy a rétegek között megszakadna.

Nál nél alacsony sebességek a folyadék oldalirányú keveredés nélkül folyhat – a szomszédos rétegek úgy csúsznak el egymás mellett, mint a kártyajáték. Nincsenek az áramlás irányára merőleges keresztirányú áramok, örvények vagy pulzációk.

Lamináris áramlásban a folyadékrészecskék mozgása rendezetten, egyenes vonalak mentén, a felülettel párhuzamosan történik. A lamináris áramlás nagy lendületű diffúzióval és alacsony lendületű konvekcióval rendelkező áramlási rendszer.

Ha a folyadék egy zárt csatornán (csövön) vagy két lapos lemez között áramlik, lamináris vagy turbulens áramlás fordulhat elő, a folyadék sebességétől és viszkozitásától függően. A lamináris áramlás kisebb sebességeknél fordul elő, amelyek nem érik el azt a küszöbértéket, amelynél turbulenssé válik. A turbulens áramlás egy kevésbé rendezett áramlási rendszer, örvényekkel vagy kis folyadékrészecskék-csomagokkal, ami oldalirányú keveredést eredményez. Nem tudományos értelemben a lamináris áramlást simának nevezik.

Mégis, hogy jobban megértsük, mi az a „lamelláris” áramlás, jobb egyszer megnézni, hogyan is néz ki ez a „lamelláris” áramlás. A folyadékmozgás és a nem mozdulás nagyon jellemző leírása a lamináris áramlásra. Az áramlás olyan, mint egy fagyott sugár, de elég, ha e sugár alá teszi a kezét, hogy lássa a víz (bármilyen más folyadék) mozgását.

Amikor egy folyadék egy zárt csatornán, például csövön vagy két lapos lemez között áramlik, a folyadék sebességétől és viszkozitásától függően kétféle áramlás történhet: lamináris áramlás vagy turbulens áramlás. A lamináris áramlás általában kisebb sebességeknél fordul elő, azon küszöb alatt, amelynél turbulenssé válik. A turbulens áramlás egy kevésbé rendezett áramlási rendszer, amelyet örvények vagy kis folyadékrészecskék-csomagok jellemeznek, amelyek oldalirányú keveredést eredményeznek. Nem tudományos értelemben a lamináris áramlás az sima, míg a turbulens áramlás az durva .

Kapcsolat Reynolds számmal

A csatornában lévő folyadékban előforduló áramlás típusa fontos folyadékdinamikai problémák esetén, majd befolyásolja a hő- és tömegátadást a folyadékrendszerekben. A dimenzió nélküli Reynolds-szám fontos paraméter az egyenletekben, amelyek leírják, hogy a teljesen kifejlett áramlási feltételeket lamináris vagy turbulens áramlásba kell-e hozni. A Reynolds-szám a tehetetlenségi erő és a folyadék nyíróerejének aránya: milyen gyorsan mozog egy folyadék a viszkózusságához képest, függetlenül a folyadékrendszer léptékétől. Lamináris áramlás általában akkor fordul elő, ha a folyadék lassan mozog, vagy a folyadék nagyon viszkózus. Ha növeljük a Reynolds-számot, például a folyadék áramlási sebességének növelésével, az áramlás lamináris áramlásról turbulens áramlásra fog átváltani a lamináris-turbulens tartomány átmenet Reynolds-számainak egy bizonyos tartományán, a folyadék kis interferenciájától vagy a tökéletlenségektől függően. az áramlási rendszerben. Ha a Reynolds-szám nagyon kicsi, sokkal kisebb, mint 1, akkor a folyadék Stokes-t vagy kúszó áramlást mutat, ahol a folyadék viszkozitási erejét a tehetetlenségi erők uralják.

A Reynolds-szám konkrét kiszámítása és a lamináris áramlás előfordulásának értékei az áramlási rendszer geometriájától és az áramlás szerkezetétől függenek. Általános példaátfolyik egy csövön, ahol a Reynolds-szám a következőképpen van definiálva

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)),) D H a hidraulikacső átmérője (m); K a térfogatáram (m 3 / s); Ez a cső területe keresztmetszetben (m 2); U az átlagos folyadéksebesség (SI mértékegysége: m/s); μ a folyadék dinamikus viszkozitását jelenti (Pa s \u003d N s / m 2 \u003d kg / (m s)); ν a folyadék kinematikai viszkozitása, ν = μ / p (m2/s); ρ a folyadék sűrűségét jelenti (kg/m3).

Az ilyen rendszerekben lamináris áramlás akkor következik be, amikor a Reynolds-szám egy körülbelül 2040 kritikus érték alatt van, bár az átmeneti tartomány jellemzően 1800 és 2100 között van.

Külső felületeken előforduló hidraulikus rendszerek esetében, mint például a folyadékban lebegő tárgyak körüli áramlás, a Reynolds-számok más definíciói is használhatók az objektum körüli áramlás típusának előrejelzésére. Részecskék A Reynolds-számot Re p például az áramló folyadékban szuszpendált részecskékre használnák. A csövekben történő áramláshoz hasonlóan a lamináris áramlás általában alacsonyabb Reynolds-számoknál fordul elő, míg a turbulens áramlás és a kapcsolódó jelenségek, mint például az örvények, magasabb Reynolds-számoknál fordulnak elő.

Példák

A lamináris áramlás általános alkalmazása viszkózus folyadék csövön vagy csövön keresztül történő sima áramlásában. Ebben az esetben az áramlási sebesség nulláról változik a maximum falain az edény keresztmetszetének középpontja mentén. A lamináris áramlás áramlási profilja egy csőben úgy számítható ki, hogy az áramlást vékony hengeres elemekre osztjuk, és viszkózus erőt fejtünk ki rájuk.

Egy másik példa a levegő áramlása egy repülőgép szárnya felett. A határréteg egy nagyon vékony légréteg, amely a szárny (és az összes többi repülőgép-felület) felületén fekszik. Mivel a levegőnek viszkozitása van, ez a levegőréteg hajlamos a szárnyhoz tapadni. Ahogy a szárny előrehalad a levegőben, a határréteg először simán átfolyik az áramvonalas alakzaton a szárnyszelvényről. Itt az áramlás lamináris, a határréteg pedig lamináris réteg. Prandtl 1904-ben alkalmazta a lamináris határréteg koncepcióját aerodinamikai felületekre.

lamináris áramlási akadályok

A lamináris légáramlást a levegőmennyiségek elkülönítésére vagy a levegőben lévő szennyeződések területre való bejutásának megakadályozására használják. A lamináris áramlási burkolatok a tudomány, az elektronika és az orvostudomány területén az érzékeny folyamatokból származó szennyeződések eltávolítására szolgálnak. A légfüggönyöket gyakran használják kereskedelmi környezetben, hogy lehetővé tegyék a fűtött vagy hűtött levegő átáramlását az ajtókon. A lamináris áramlású reaktor (LFR) olyan reaktor, amely lamináris áramlást használ a kémiai reakciók és folyamatmechanizmusok tanulmányozására.

Az elmúlt tíz évben külföldön és hazánkban is megnőtt a gennyes-gyulladásos megbetegedések száma az Egészségügyi Világszervezet (WHO) meghatározása szerint „nosocomiális” (HAI) elnevezést kapó fertőzések miatt. A nozokomiális fertőzések okozta betegségek elemzése alapján elmondható, hogy időtartamuk és gyakoriságuk közvetlenül függ a kórházi helyiségek levegőjének állapotától. A műtőben (és a gyártói tisztaterekben) a szükséges mikroklíma paraméterek biztosítására egyirányú légbefúvókat alkalmaznak. Amint azt az ellenőrzés eredményei is mutatják környezetés a légáramlások mozgásának elemzése, az ilyen elosztók működése biztosíthatja a szükséges mikroklíma paramétereket, azonban negatívan befolyásolja a levegő bakteriológiai összetételét. A kritikus zóna megkívánt védettségi fokának eléréséhez szükséges, hogy a készülékből kilépő légáramlás ne veszítse el a határok alakját, és egyenes mozgásvonalat tartson fenn, vagyis a légáramlás ne szűküljön ill. terjessze ki a védelemre kiválasztott zónát, amelyben a sebészeti asztal található.

A kórházépület felépítésében a műtők igényelik a legnagyobb felelősséget a műtéti folyamat fontossága és a folyamat sikeres lebonyolításához és lebonyolításához szükséges mikroklíma feltételeinek biztosítása miatt. A különféle baktériumrészecskék kibocsátásának fő forrása közvetlenül az egészségügyi személyzet, amely részecskéket generál és mikroorganizmusokat szabadít fel a helyiségben való mozgás közben. Az új részecskék megjelenésének intenzitása a helyiség légterében a hőmérséklettől, az emberek mobilitási fokától, a légmozgás sebességétől függ. A HBI rendszerint légáramlatokkal mozog a műtő helyiségében, és soha nem csökken annak valószínűsége, hogy behatol a műtött beteg sebezhető üregébe. A megfigyelések szerint a szellőzőrendszerek nem megfelelő megszervezése általában a fertőzés olyan gyors felhalmozódásához vezet a helyiségben, hogy annak szintje meghaladhatja a megengedett normát.

Külföldi szakemberek több évtizede igyekeznek olyan rendszermegoldásokat kidolgozni, amelyek biztosítják a műtők légkörnyezetének megfelelő feltételeit. A helyiségbe belépő légáramlásnak nemcsak a mikroklíma paramétereit kell fenntartania, hanem a káros tényezőket (hő, szag, páratartalom, káros anyagok), hanem a kiválasztott területek védelmét a fertőzés lehetőségével szemben is fenntartani, ami a műtők levegőjének szükséges tisztaságának biztosítását jelenti. Azt a területet, ahol invazív műveleteket végeznek (behatolás az emberi testbe), "kritikus" vagy működési területnek nevezik. A szabvány egy ilyen zónát "üzemi egészségügyi védőzónaként" definiál, ez a fogalom azt a helyet jelenti, amelyben a műtőasztal, berendezések, műszerasztalok és az egészségügyi személyzet található. Létezik olyan, hogy „technológiai mag”. Arra a területre vonatkozik, ahol termelési folyamatok steril körülmények között ez a zóna értelmesen korrelálható a műtővel.

A bakteriális szennyeződések legkritikusabb területekre való behatolásának megakadályozására széles körben alkalmazzák a légelszorításon alapuló szűrési módszereket. Ennek érdekében lamináris légáramlás-elosztókat fejlesztettek ki, amelyek rendelkeznek eltérő kialakítás. Később a „lamináris” „egyirányú” áramlás néven vált ismertté. Manapság számos lehetőséget találhat a tiszta helyiségek levegőelosztó készülékeinek nevére, például „lamináris mennyezet”, „lamináris”, „ operációs rendszer tiszta levegő, "működési plafon" és mások, de ez nem változtat a lényegükön. A légelosztó a mennyezeti szerkezetbe van beépítve a helyiség védett területe felett. Különböző méretű lehet, ez a légáramlástól függ. Az ilyen mennyezet optimális területe nem lehet kevesebb, mint 9 m 2, hogy teljesen lefedje a területet asztalokkal, személyzettel és felszereléssel. A kiszorító légáram kis adagokban lassan fentről lefelé áramlik, ezzel elválasztva a műtéti terület aszeptikus mezőjét, azt a területet, ahol a steril anyag átkerül a környezetből. A védett helyiség alsó és felső zónájából egyszerre távolítják el a levegőt. A mennyezetbe HEPA szűrők (H szerinti osztály) vannak beépítve, amelyek átengedik rajtuk a levegőt. A szűrők csak az élő részecskéket fogják fel, fertőtlenítés nélkül.

V Utóbbi időben Világszinten megnőtt a figyelem a légfertőtlenítés kérdéseire a kórházakban és más olyan intézményekben, ahol bakteriális szennyeződések vannak. A dokumentumok rögzítik azokat a követelményeket, amelyek szerint a 95%-os vagy azt meghaladó részecske-deaktiválási hatékonyságú műtők levegőjének fertőtlenítése szükséges. A klímarendszerek és a légcsatornák berendezéseit is fertőtleníteni kell. A sebészek által kibocsátott baktériumok és részecskék folyamatosan bejutnak a helyiség levegőjébe, és felhalmozódnak benne. Annak érdekében, hogy a helyiségben a káros anyagok koncentrációja ne érje el a megengedett maximális szintet, folyamatosan figyelni kell a levegő környezetét. Ezt a szabályozást hiba nélkül hajtják végre a klímarendszer telepítése, javítása ill Karbantartás azaz amíg a tisztaszoba használatban van.

A tervezőknél már megszokottá vált műtők ultrafinom egyirányú légáram elosztók beépített mennyezeti típusú szűrőkkel.

A nagy térfogatú légáramok lassan lefelé haladnak a helyiségben, így elválasztják a védett területet a környező levegőtől. Sok szakember azonban nem aggódik amiatt, hogy ezek a megoldások önmagukban nem elegendőek a sebészeti beavatkozások során szükséges levegőfertőtlenítés fenntartásához.

Számos tervezési lehetőséget javasoltak a levegőelosztó berendezésekhez, mindegyik megkapta az alkalmazást egy bizonyos területen. Az osztályukon belüli speciális műtőket a rendeltetéstől függően a tisztasági fok szerint alosztályokra osztják. Például a szívsebészeti, általános, ortopédiai stb. műtőket. Minden osztálynak megvannak a maga tisztasági követelményei.

Először az 1950-es évek közepén alkalmaztak légbefúvókat tiszta helyiségekhez. Azóta hagyományossá vált az ipari helyiségekben a levegő elosztása olyan esetekben, amikor a mikroorganizmusok vagy részecskék csökkentett koncentrációját kell biztosítani, mindezt perforált mennyezeten keresztül. A levegő áramlása egy irányba mozog a helyiség teljes térfogatában, miközben a sebesség egyenletes marad - körülbelül 0,3 - 0,5 m / s. A levegőt a tisztaszoba mennyezetén elhelyezett, nagy hatékonyságú légszűrők csoportján keresztül szállítják. A légáramlás a légdugattyú elve szerint történik, amely gyorsan lefelé halad az egész helyiségben, eltávolítva a káros anyagokat és a szennyeződéseket. A levegő a padlón keresztül távozik. Ez a légmozgás eltávolíthatja a levegőben lévő szennyeződéseket a folyamatokból és az emberekből. Az ilyen szellőztetés megszervezésének célja a műtőben a levegő szükséges tisztaságának biztosítása. Hátránya, hogy nagy légáramlást igényel, ami nem gazdaságos. Az ISO 6 osztályú (az ISO besorolás szerint) vagy az 1000 osztályú tiszta helyiségekben 70-160 légcsere megengedett. Ezek helyére később hatékonyabb, kisebb méretű és alacsony költségű moduláris típusú készülékek kerültek, amelyek lehetővé teszik a levegőellátó berendezés kiválasztását a védőzóna méretétől és a helyiségben szükséges levegőcsere-arányoktól függően. a célja.

Lamináris légdiffúzorok működése

A lamináris eszközöket tiszta helyiségekben való használatra tervezték, nagy térfogatú levegő elosztására. A megvalósításhoz speciálisan kialakított mennyezet, helyiségnyomás-szabályozás és padlóburkolatok szükségesek. Ha ezek a feltételek teljesülnek, a lamináris áramláselosztók szükségszerűen előállítják a szükséges egyirányú áramlást párhuzamos áramvonalakkal. A magas légcserearány miatt az izotermhez közeli állapotok megmaradnak a befúvott levegő áramlásában. A nagy légcserékben történő levegőelosztásra tervezett mennyezetek nagy felületüknek köszönhetően alacsony induló áramlási sebességet biztosítanak. A helyiségben a légnyomás változásának szabályozása és a kipufogóberendezések működési eredménye biztosítja a légkeringtetési zónák minimális méreteit, itt az „egy áthaladás és egy kilépés” elv működik. A lebegő részecskék a padlóra hullanak és eltávolítódnak, így újrahasznosításuk szinte lehetetlen.

Műtét körülményei között azonban az ilyen légmelegítők némileg eltérően működnek. Annak érdekében, hogy ne lépjék túl a levegő bakteriológiai tisztaságának megengedett szintjét a műtőkben, a számítások szerint a levegőcsere értéke körülbelül 25-szer / óra, és néha még ennél is kevesebb. Más szóval, ezek az értékek nem hasonlíthatók össze az ipari helyiségekre számított értékekkel. A műtő és a szomszédos helyiségek közötti stabil légáramlás fenntartása érdekében a műtőt nyomás alatt tartják. A levegőt az alsó zóna falaiba szimmetrikusan elhelyezett kipufogóberendezéseken keresztül távolítják el. Kisebb levegőmennyiség elosztására kisebb területű lamináris eszközöket használnak, amelyeket közvetlenül a helyiség kritikus zónája fölé szerelnek fel szigetként a szoba közepén, és nem foglalják el a teljes mennyezetet.

A megfigyelések azt mutatták, hogy az ilyen lamináris légdiffúzorok nem mindig képesek egyirányú áramlást biztosítani. Mivel a befúvott levegősugár és a környezeti levegő hőmérséklete közötti 5-7 °C-os különbség elkerülhetetlen, a befúvó egységből kilépő hidegebb levegő sokkal gyorsabban esik le, mint egy egyirányú izoterm áramlás. Ez gyakori jelenség a beépített mennyezeti befúvóknál nyilvános terek. Téves az a vélemény, hogy a laminárisok minden esetben egyirányú stabil légáramlást biztosítanak, függetlenül attól, hogy hol és hogyan használják őket. Végül is be valós körülmények a függőleges, alacsony hőmérsékletű lamináris áramlás sebessége megnő, ahogy leereszkedik a padló felé.

A befújt levegő térfogatának növekedésével és a helyiség levegőhöz viszonyított hőmérsékletének csökkenésével az áramlás felgyorsul. Amint a táblázatban látható, a 3 m 2 területű és 9 ° C hőmérséklet-különbséggel rendelkező lamináris rendszernek köszönhetően a levegő sebessége a kimenettől 1,8 m távolságra háromszorosára nő. A lamináris eszköz kimeneténél a levegő sebessége 0,15 m/s, a műtőasztal területén pedig 0,46 m/s, ami meghaladja a megengedett szintet. Sok tanulmány már régóta bebizonyította, hogy az ellátási áramlás megnövekedett sebességével az „egyirányúsága” nem őrződik meg.

	Levegőfogyasztás, m 3 / (h m 2)	Nyomás, Pa	A levegő sebessége a paneltől 2 m távolságra, m/s
			3 °С T	6 °С T	8 °С T	11 °С T	NC
Egyetlen panel	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 m 2	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
Több mint 3 m 2	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

Lewis (Lewis, 1993) és Salvati (1982) műtői levegőszabályozási elemzései feltárták, hogy bizonyos esetekben a nagy levegősebességű lamináris egységek használata a légszennyezettség szintjének növekedését okozza a műtéti területen. bemetszést, ami a fertőzéséhez vezethet.

A légáramlási sebesség változásának a befújt levegő hőmérsékletétől és a lamináris panel területétől való függését a táblázat mutatja. Amikor a levegő elmozdul a kiindulási pontról, az áramvonalak párhuzamosan futnak, majd az áramlási határok megváltoznak, a padló felé szűkülés következik be, így a méretek által meghatározott zónát már nem tudja megvédeni. a lamináris telepítésről. A 0,46 m/s sebességű légáramlás felfogja a helyiség inaktív levegőjét. És mivel a baktériumok folyamatosan belépnek a helyiségbe, a fertőzött részecskék bejutnak a tápegységet elhagyó levegőáramba. Ezt elősegíti a levegő keringtetése, amely a helyiségben lévő levegő túlnyomása miatt következik be.

A műtők tisztaságának megőrzése érdekében a normák szerint a levegő kiegyensúlyozatlanságát kell biztosítani a beáramlás 10%-kal nagyobb növelésével, mint a kivonat. A felesleges levegő bejut a szomszédos, kezeletlen helyiségekbe. A modern műtőkben gyakran használnak hermetikus tolóajtókat, ekkor a felesleges levegő nem tud eltávozni és körbe kering a helyiségben, majd beépített ventilátorokkal visszavezetik az ellátó egységbe, majd szűrőkben megtisztítják és visszavezetik a szoba. A keringető légáram minden szennyező anyagot összegyűjt a helyiség levegőjéből (ha a befúvott levegő áramlása közelében mozog, szennyezheti azt). Az áramlási határok megsértése miatt elkerülhetetlen, hogy levegő keveredjen bele a helyiség teréből, és ennek következtében a káros részecskék behatoljanak a védett steril zónába.

A megnövekedett levegő mobilitás az elhalt bőrrészecskék intenzív hámlását vonja maga után az egészségügyi személyzet nyílt bőrfelületeiről, majd bejutnak a sebészeti bemetszésbe. Másrészt azonban a fertőző betegségek kialakulása a műtét utáni rehabilitációs időszakban a páciens hipotermiás állapotának következménye, amelyet súlyosbít a mozgó hideg levegőáramoknak való kitettség. Tehát egy jól működő hagyományos lamináris légáramú légelosztó tiszta helyiségben nemcsak előnyöket, hanem károkat is hozhat a hagyományos műtőben végzett művelet során.

Ez a tulajdonság az átlagosan körülbelül 3 m 2 területű lamináris eszközökre jellemző – optimális a működési terület védelmére. Az amerikai követelmények szerint a lamináris eszköz kimeneténél a levegő áramlási sebessége nem lehet nagyobb 0,15 m / s-nál, azaz 0,09 m 2, 14 l / s levegőterületről. be kell jönnie a szobába. Ebben az esetben 466 l / s (1677,6 m 3 / h) fog áramlani, vagyis körülbelül 17-szer / óra. Mivel a műtőben a levegőcsere normatív értéke szerint 20-szor / óra, -25-szer / óra szerint, akkor a 17-szer / óra teljesen megfelel az előírt szabványoknak. Kiderült, hogy a 20-szoros / óra érték egy 64 m 3 térfogatú helyiséghez alkalmas.

A jelenlegi szabványok szerint az általános sebészeti profil (standard műtő) területe legalább 36 m 2 legyen. A bonyolultabb (ortopédiai, kardiológiai stb.) műtétekre szánt műtőkre azonban magasabb követelmények vonatkoznak, gyakran az ilyen műtők térfogata körülbelül 135-150 m 3. Ilyen esetekben nagy területű és légkapacitású levegőelosztó rendszerre lesz szükség.

Ha nagyobb műtőkhöz levegőáramlást biztosítanak, akkor ez a lamináris áramlás fenntartásának problémájához vezet a kimeneti szinttől a műtőasztalig. Több műtőben végeztek légáramlási vizsgálatokat. Mindegyikbe lamináris panelek kerültek beépítésre, melyek a lakott terület szerint két csoportba oszthatók: 1,5 - 3 m 2 és több mint 3 m 2, illetve kísérleti klímaberendezések kerültek kiépítésre, melyek segítségével az érték változtatható. a befújt levegő hőmérsékletétől. A vizsgálat során méréseket végeztünk a beáramló légáramlás sebességéről különböző áramlási sebességek és hőmérsékletváltozások mellett; ezek a mérések a táblázatban láthatók.

A műtők tisztaságának kritériumai

A helyiségben a levegő keringésének és elosztásának megfelelő megszervezéséhez meg kell választani az ellátó panelek racionális méretét, biztosítani kell a befújt levegő normatív áramlási sebességét és hőmérsékletét. Ezek a tényezők azonban nem garantálják az abszolút levegőfertőtlenítést. A tudósok több mint 30 éve foglalkoznak a műtők fertőtlenítésével és különféle járványellenes intézkedésekkel. Napjainkban a kórházi helyiségek üzemeltetésére és kialakítására vonatkozó korszerű szabályozási dokumentumok követelményei szembesülnek a légfertőtlenítés céljával, ahol a HVAC-rendszerek jelentik a fertőzések felhalmozódásának és terjedésének megakadályozását.

Például a szabvány szerint a követelményeinek fő célja a dekontamináció, és kimondja, hogy „a megfelelően megtervezett HVAC rendszer minimalizálja a vírusok, gombaspórák, baktériumok és egyéb biológiai szennyeződések levegőben történő terjedését”, nagy szerepe van a védekezésben. fertőzések és egyéb káros tényezők játssza a HVAC rendszert. A B meghatározza a helyiségklíma rendszerekre vonatkozó követelményeket, amelyek kimondják, hogy a levegőellátó rendszer kialakítása során minimálisra kell csökkenteni a baktériumok behatolását a levegővel együtt a tiszta területekre, és a lehető legmagasabb szintű tisztaságot kell fenntartani a műtő többi részében.

A szabályozási dokumentumok azonban nem tartalmaznak olyan közvetlen követelményeket, amelyek tükrözik a helyiségek különböző szellőztetési módszerekkel történő fertőtlenítésének hatékonyságának meghatározását és ellenőrzését. Ezért a tervezés során olyan kereséseket kell végeznie, amelyek sok időt igényelnek, és nem teszik lehetővé a fő munka elvégzését.

A műtők HVAC-rendszereinek tervezéséről nagy mennyiségű szabályozási szakirodalom jelent meg, leírja a légköri környezet fertőtlenítésének követelményeit, amelyeket a tervezők több okból is meglehetősen nehezen teljesítenek. Ehhez nem elég csak ismerni a modern fertőtlenítő berendezéseket és a velük való munkavégzés szabályait, a beltéri levegő további időben történő járványügyi ellenőrzése is szükséges, ami képet ad a HVAC rendszerek minőségéről. Ezt sajnos nem mindig tartják be. Ha az ipari helyiségek tisztaságának értékelése a benne lévő részecskék (lebegő anyagok) jelenlétén alapul, akkor a tiszta kórházi helyiségekben a tisztasági mutatót élő baktérium vagy kolóniaképző részecskék jelentik, ezek megengedett szintjeit adják meg. Ezen szintek túllépésének elkerülése érdekében a beltéri levegő rendszeres mikrobiológiai mutatóinak ellenőrzése szükséges, ehhez szükséges a mikroorganizmusok számlálása. A levegő környezet tisztasági szintjének felmérésére szolgáló gyűjtési és számítási módszert egyetlen szabályozó dokumentum sem adta meg. Nagyon fontos, hogy a mikroorganizmusok megszámlálását a munkaszobában végezzék el a műtét során. Ehhez azonban egy kész projektre és egy levegőelosztó rendszer telepítésére van szükség. A műtőben végzett munka megkezdése előtt nem lehet meghatározni a rendszer fertőtlenítési fokát vagy hatékonyságát, ez csak néhány művelet során állapítható meg. Itt számos nehézség adódik a mérnökök számára, mivel a szükséges kutatások ellentmondanak a kórházi helyiségek járványellenes fegyelmének betartásának.

Légfüggöny módszer

A levegő beáramlásának és eltávolításának megfelelően szervezett közös munkája biztosítja a műtő szükséges levegőzését. A műtőben a légáramlások mozgásának jellegének javítása érdekében biztosítani kell a kipufogó- és ellátóberendezések racionális egymáshoz viszonyított helyzetét.

Rizs. 1. Légfüggöny teljesítményelemzés

A teljes mennyezet területe a levegőelosztáshoz és a teljes padló elszívása nem lehetséges. A padlószellőzők nem higiénikusak, mivel gyorsan szennyeződnek és nehezen tisztíthatók. A bonyolult, terjedelmes és drága rendszereket nem használják széles körben a kis műtőkben. Ezért a legracionálisabb a lamináris panelek "szigetes" elhelyezése a védett terület felett, és a kipufogónyílások felszerelése a helyiség alsó részében. Ez lehetővé teszi a légáramlás megszervezését a tiszta ipari helyiségekkel analóg módon. Ez a módszer olcsóbb és kompaktabb. Sikeresen alkalmazzák a védőgátként működő légfüggönyöket. A légfüggöny a befúvott levegőáramhoz csatlakozik, keskeny, nagyobb sebességű levegő "héjat" képezve, amely speciálisan a mennyezet kerülete körül van kialakítva. Az ilyen függöny folyamatosan működik a kipufogógáz számára, és nem engedi be a szennyezett környezeti levegőt a lamináris áramlásba.

A légfüggöny működésének jobb megértéséhez képzeljen el egy műtőt, amelynek mind a négy oldalára elszívóventilátor van felszerelve. A mennyezet közepén elhelyezkedő „lamináris szigetről” beáramló levegő csak lefelé tud haladni, miközben a padlóhoz közeledve a falak felé tágul. Ez a megoldás csökkenti a recirkulációs zónákat és a stagnáló területek méretét, ahol a káros mikroorganizmusok összegyűlnek, megakadályozza, hogy a helyiség levegője keveredjen a lamináris áramlással, csökkenjen annak gyorsulása, stabilizálja a sebességet, és a teljes steril zóna leáramlását átfedje. Ez hozzájárul a védett terület elszigeteléséhez a környező levegőtől, és lehetővé teszi a biológiai szennyeződések eltávolítását onnan.

Rizs. A 2. ábra egy légfüggöny szabványos kialakítását mutatja be, amelynek a helyiség kerülete mentén rések vannak. Ha a lamináris áramlás kerülete mentén kipufogót szervezünk, az megnyúlik, a légáramlás kitágul és kitölti a teljes függöny alatti területet, és ennek eredményeként a „szűkítő” hatás kiküszöbölhető és a szükséges lamináris áramlási sebesség megszűnik. stabilizálódik.

Rizs. 2. A légfüggöny diagramja

ábrán A 3. ábra a tényleges légsebességet mutatja egy megfelelően tervezett légfüggöny esetén. Jól mutatják a légfüggöny kölcsönhatását az egyenletesen mozgó lamináris áramlással. A légfüggöny elkerüli a terjedelmes kipufogórendszer telepítését a helyiség teljes kerületén. Ehelyett a műtőkben megszokott módon a falakba hagyományos páraelszívót szerelnek be. A légfüggöny a sebészeti személyzet és az asztal körüli terület védelmét szolgálja, megakadályozva, hogy a szennyezett részecskék visszatérjenek a kezdeti légáramlásba.

Rizs. 3. Aktuális sebességprofil a légfüggöny-szakaszban

Milyen szintű fertőtlenítés érhető el légfüggönnyel? Ha rosszul van megtervezve, akkor nem hoz nagyobb hatást, mint egy lamináris rendszer. Nagy légsebességnél hibázhat, akkor egy ilyen függöny a szükségesnél gyorsabban „húzhatja” a légáramlást, és nem lesz ideje elérni a műtőasztalt. Az ellenőrizetlen áramlási viselkedés veszélyt jelenthet a szennyezett részecskék bejutásával a védett területre a padlószintről. Ezenkívül az elégtelen szívási sebességű függöny nem tudja teljesen elzárni a levegő áramlását, és behúzódhat. Ebben az esetben a műtő levegő üzemmódja ugyanaz lesz, mint ha csak lamináris eszközt használunk. A tervezés során pontosan meg kell határoznia a sebességtartományt, és ki kell választania a megfelelő rendszert. A fertőtlenítési jellemzők kiszámítása ettől függ.

A légfüggönynek számos előnye van, de nem szabad mindenhol használni, mert nem mindig szükséges steril áramlást létrehozni a művelet során. A légfertőtlenítés mértékének biztosítására vonatkozó döntést az ezen műveletekben részt vevő sebészekkel közösen hozzák meg.

Következtetés

A függőleges lamináris áramlás a felhasználás körülményeitől függően nem mindig kiszámítható. A tiszta ipari helyiségekben üzemeltetett laminált panelek gyakran nem biztosítják a szükséges fertőtlenítést a műtőben. A légfüggöny-rendszerek felszerelése segít szabályozni a függőleges lamináris légáramlások mozgásának jellegét. A légfüggöny segíti a műtők bakteriológiai légszabályozását, különösen a hosszan tartó műtéti beavatkozások és a gyenge immunrendszerű betegek állandó jelenléte esetén, akiknél a levegőben terjedő fertőzések óriási kockázatot jelentenek.

A cikket A. P. Borisoglebskaya készítette az ASHRAE folyóirat anyagainak felhasználásával.

Irodalom

1. SNiP 2.08.02–89*. Középületek és építmények.
2. SanPiN 2.1.3.1375–03. A kórházak, szülészetek és egyéb egészségügyi kórházak elhelyezésére, elrendezésére, felszerelésére és működésére vonatkozó higiéniai követelmények.
3. Irányelvek a légcsere megszervezéséhez az osztályok osztályaiban és a kórházak üzemi blokkjaiban.
4. Útmutató a fertőző betegségek kórházai és osztályai tervezésének és üzemeltetésének higiéniai kérdéseire.
5. Kézikönyv az SNiP 2.08.02–89*-hez az egészségügyi létesítmények tervezéséről. GiproNIIzdrav a Szovjetunió Egészségügyi Minisztériumától. M., 1990.
6. GOST ISO 14644-1-2002. Tisztaterek és a kapcsolódó ellenőrzött környezetek. 1. rész A levegő tisztaságának osztályozása.
7. GOST R ISO 14644-4-2002. Tisztaterek és a kapcsolódó ellenőrzött környezetek. 4. rész Tervezés, kivitelezés és üzembe helyezés.
8. GOST R ISO 14644-5-2005. Tisztaterek és a kapcsolódó ellenőrzött környezetek. 5. rész Működés.
9. GOST 30494-96. Lakó- és középületek. A helyiségek mikroklímájának paraméterei.
10. GOST R 51251–99. Légtisztító szűrők. Osztályozás. Jelzés.
11. GOST R 52539–2006. A levegő tisztasága az egészségügyi intézményekben. Általános követelmények.
12. GOST R IEC 61859–2001. Sugárterápiás szobák. Általános biztonsági követelmények.
13. GOST 12.1.005–88. A szabványrendszer.
14. GOST R 52249–2004. A gyógyszerek előállításának és minőség-ellenőrzésének szabályai.
15. GOST 12.1.005–88. Munkavédelmi szabványok rendszere. A munkaterület levegőjére vonatkozó általános egészségügyi és higiéniai követelmények.
16. Tanulságos-módszeres levél. Egészségügyi és higiéniai követelmények egészségügyi és megelőző fogászati ​​intézmények számára.
17. MGSN 4.12-97. Egészségügyi intézmények.
18. MGSN 2.01-99. A hővédelem, valamint a hő- és vízellátás szabványai.
19. Módszertani utasítások. MU 4.2.1089-02. Ellenőrzési módszerek. Biológiai és mikrobiológiai tényezők. Oroszország Egészségügyi Minisztériuma. 2002.
20. Módszertani utasítások. MU 2.6.1.1892-04. A sugárbiztonság biztosításának higiéniai követelményei a radiofarmakonokat alkalmazó radionukliddiagnosztika során. Az egészségügyi intézmények helyiségeinek osztályozása.

A folyadék- és gázáramlás tulajdonságainak vizsgálata nagyon fontos az ipar és a közművek számára. A lamináris és turbulens áramlás befolyásolja a víz, az olaj, a földgáz szállításának sebességét különféle célú csővezetékeken, és más paramétereket is befolyásol. A hidrodinamika tudománya ezekkel a problémákkal foglalkozik.

Osztályozás

A tudományos közösségben a folyadékok és gázok áramlási rendszerét két teljesen különböző osztályba osztják:

• lamináris (sugár);
• viharos.

Van egy átmeneti szakasz is. A "folyadék" kifejezés egyébként tág jelentésű: lehet összenyomhatatlan (ez tulajdonképpen folyadék), összenyomható (gáz), vezetőképes stb.

Háttér

Még 1880-ban Mengyelejev is kifejezte két ellentétes áramrendszer létezésének gondolatát. Osborne Reynolds brit fizikus és mérnök részletesebben tanulmányozta ezt a kérdést, és 1883-ban fejezte be kutatását. Először gyakorlatilag, majd képletek segítségével megállapította, hogy kis áramlási sebességnél a folyadékok mozgása lamináris alakot kap: a rétegek (részecskeáramlások) szinte nem keverednek egymással, és párhuzamos pályákon mozognak. Egy bizonyos kritikus érték (különböző körülmények között eltérő), amelyet Reynolds-számnak neveznek, leküzdése után azonban a folyadékáramlási rezsim megváltozik: a sugárfolyam kaotikussá, örvénylővé, azaz turbulenssé válik. Mint kiderült, ezek a paraméterek bizonyos mértékig a gázokra is jellemzőek.

Az angol tudós gyakorlati számításai kimutatták, hogy például a víz viselkedése erősen függ a tározó (cső, csatorna, kapilláris stb.) alakjától és méretétől, amelyen átfolyik. A kör keresztmetszetű csövekben (ilyeneket nyomóvezetékek felszerelésére használnak) Reynolds-számuk - a képlet a következőképpen van leírva: Re \u003d 2300. Nyitott csatorna mentén történő áramlás esetén ez más: Re \u003d 900 Alacsonyabb Re értéknél az áramlás rendezett lesz, nagynál - kaotikus .

lamináris áramlás

A lamináris áramlás és a turbulens áramlás közötti különbség a víz (gáz) áramlásának természetében és irányában van. Keveredés és lüktetés nélkül rétegesen mozognak. Más szóval, a mozgás egyenletes, nyomás-, irány- és sebességugrások nélkül.

A folyadék lamináris áramlása például szűk élőlényekben, növények kapillárisaiban és hasonló körülmények között nagyon viszkózus folyadékok (fűtőolaj csővezetéken keresztül történő) áramlásában jön létre. A vízsugár vizuális megtekintéséhez elegendő a csapot kissé kinyitni - a víz nyugodtan, egyenletesen fog folyni, keveredés nélkül. Ha a csapot a végéig elzárják, a rendszerben a nyomás megnő, és az áramlás kaotikussá válik.

turbulens áramlás

A lamináris áramlástól eltérően, amelyben a közeli részecskék szinte párhuzamos pályákon mozognak, a folyadék turbulens áramlása rendezetlen. Ha a Lagrange-megközelítést alkalmazzuk, akkor a részecskék pályái tetszőlegesen metszhetik egymást, és meglehetősen kiszámíthatatlanul viselkedhetnek. A folyadékok és gázok mozgása ilyen körülmények között mindig ingatag, és ezen ingatagság paraméterei igen széles tartományban lehetnek.

Hogy a gáz lamináris áramlása miként alakul turbulenssé, azt egy égő cigaretta füstje példáján követhetjük nyomon csendes levegőben. Kezdetben a részecskék szinte párhuzamosan mozognak olyan pályákon, amelyek időben nem változnak. A füst mintha elcsendesedett volna. Aztán egy helyen hirtelen nagy örvények jelennek meg, amelyek teljesen véletlenszerűen mozognak. Ezek az örvények kisebbekre, a még kisebbekre bomlanak, és így tovább. Végül a füst gyakorlatilag keveredik a környező levegővel.

A turbulencia ciklusai

A fenti példa tankönyv, és megfigyeléséből a tudósok a következő következtetéseket vonták le:

1. A lamináris és turbulens áramlás valószínűségi jellegű: az egyik rezsimből a másikba való átmenet nem egy pontosan meghatározott helyen, hanem egy meglehetősen önkényes, véletlenszerű helyen történik.
2. Először nagy örvények jelennek meg, amelyek mérete nagyobb, mint a füstcsóva mérete. A mozgás bizonytalanná és erősen anizotróp lesz. A nagy patakok elveszítik stabilitásukat, és egyre kisebbekre szakadnak. Így az örvények egész hierarchiája keletkezik. A mozgásuk energiája nagyról kicsire kerül át, és a folyamat végén eltűnik - kis léptékben energiadisszipáció következik be.
3. A turbulens áramlási rendszer véletlenszerű természetű: egyik vagy másik örvény teljesen önkényes, kiszámíthatatlan helyen lehet.
4. A füstnek a környező levegővel való keveredése lamináris üzemmódban gyakorlatilag nem fordul elő, turbulens üzemmódban pedig nagyon intenzív.
5. Annak ellenére, hogy a peremfeltételek stacionáriusak, maga a turbulencia kifejezett nem-stacionárius jellegű - minden gázdinamikai paraméter idővel változik.

A turbulenciának van még egy fontos tulajdonsága: mindig háromdimenziós. Még akkor is, ha egy csőben vagy egy kétdimenziós határrétegben egydimenziós áramlást veszünk figyelembe, a turbulens örvények mozgása akkor is mindhárom koordinátatengely irányában történik.

Reynolds-szám: képlet

A laminárisról a turbulensre való átmenetet az úgynevezett kritikus Reynolds-szám jellemzi:

Re cr = (ρuL/µ) cr,

ahol ρ a fluxussűrűség, u a jellemző fluxussebesség; L az áramlás jellemző mérete, µ a cr együtthatója a kör keresztmetszetű csövön keresztüli áramlás.

Például egy csőben lévő u sebességű áramláshoz Osborne Reynoldsot L-ként használjuk, és megmutatta, hogy ebben az esetben 2300

Hasonló eredményt kapunk a lemez határrétegében is. Jellemző méretként a lemez elülső élétől való távolságot veszik, majd: 3 × 10 5

A sebesség-perturbáció fogalma

A folyadék lamináris és turbulens áramlása, és ennek megfelelően a Reynolds-szám (Re) kritikus értéke több tényezőtől függ: a nyomásgradienstől, az egyenetlenségi dudorok magasságától, a külső turbulencia intenzitásától. áramlás, hőmérséklet-különbség stb. A kényelem kedvéért ezeket a teljes tényezőket sebesség-perturbációnak is nevezik, mivel bizonyos hatást gyakorolnak az áramlási sebességre. Ha ez a zavar kicsi, akkor a sebességmezőt kiegyenlítő viszkózus erők kiolthatják. Nagy zavarok esetén az áramlás elveszítheti a stabilitását, és turbulencia lép fel.

Figyelembe véve, hogy a Reynolds-szám fizikai jelentése a tehetetlenségi és viszkózus erők aránya, az áramlások zavarása a következő képlet alá esik:

Re = ρuL/µ = ρu 2 /(µ×(u/L)).

A számláló a sebességfej kétszeresét tartalmazza, a nevező pedig egy olyan érték, amely a súrlódási feszültség nagyságrendjébe esik, ha a határréteg vastagságát L-nek vesszük. A sebességi nyomás megzavarja az egyensúlyt, és ezt ellensúlyozza. Nem világos azonban, hogy miért (vagy sebességmagasság) csak akkor vezetnek változásokat, ha azok 1000-szer nagyobbak, mint a viszkózus erők.

Számítások és tények

Valószínűleg kényelmesebb lenne a Re cr-ben jellemző sebességként nem az u abszolút áramlási sebességet használni, hanem a sebesség perturbációját. Ebben az esetben a kritikus Reynolds-szám körülbelül 10 lesz, vagyis amikor a sebesség nyomászavara 5-szörösére meghaladja a viszkózus feszültségeket, a folyadék lamináris áramlása turbulens áramlásba áramlik. Ez a Re-definíció számos tudós véleménye szerint jól megmagyarázza a következő kísérletileg megerősített tényeket.

Ideálisan egyenletes sebességprofil esetén ideálisan sima felületen a hagyományosan meghatározott Re cr szám a végtelenbe hajlik, vagyis valójában nem figyelhető meg a turbulenciába való átmenet. De a sebesség-perturbáció nagysága által meghatározott Reynolds-szám kisebb, mint a kritikus szám, amely 10.

Mesterséges turbulátorok jelenlétében, amelyek a fő sebességgel összemérhető sebességlökést okoznak, az áramlás a sebesség abszolút értékéből meghatározott Reynolds-szám sokkal alacsonyabb értékeinél turbulenssé válik, mint a Re cr . Ez lehetővé teszi a Re cr = 10 együttható értékének felhasználását, ahol a fenti okok miatti sebességzavar abszolút értékét használjuk jellemző sebességként.

A lamináris áramlási rendszer stabilitása a csővezetékben

A lamináris és turbulens áramlás minden típusú folyadékra és gázra jellemző különböző körülmények között. A természetben a lamináris áramlások ritkák, és jellemzőek például a keskeny földalatti áramlásokra lapos körülmények között. A tudósokat sokkal jobban foglalkoztatja ez a kérdés a víz, olaj, gáz és egyéb műszaki folyadékok csővezetékeken történő szállításának gyakorlati alkalmazása kapcsán.

A lamináris áramlás stabilitásának kérdése szorosan összefügg a főáramlás perturbált mozgásának vizsgálatával. Megállapítást nyert, hogy úgynevezett kis perturbációk hatásának van kitéve. Attól függően, hogy idővel elhalványulnak vagy növekednek, a főáram stabilnak vagy instabilnak tekinthető.

Összenyomható és összenyomhatatlan folyadékok áramlása

A folyadék lamináris és turbulens áramlását befolyásoló egyik tényező annak összenyomhatósága. A folyadéknak ez a tulajdonsága különösen fontos a fő áramlás gyors változásával járó instabil folyamatok stabilitásának tanulmányozásakor.

Tanulmányok azt mutatják, hogy az összenyomhatatlan folyadék lamináris áramlása hengeres csövekben ellenáll a viszonylag kis tengelyszimmetrikus és nem tengelyszimmetrikus perturbációknak időben és térben.

A közelmúltban számításokat végeztek a tengelyszimmetrikus perturbációknak az áramlás stabilitására gyakorolt ​​hatására egy hengeres cső bemeneti részében, ahol a főáram két koordinátától függ. Ebben az esetben a csőtengely mentén lévő koordinátát olyan paraméternek tekintjük, amelytől a fő áramlási cső sugara mentén kialakuló sebességprofil függ.

Következtetés

A több évszázados kutatás ellenére nem mondható el, hogy mind a lamináris, mind a turbulens áramlást alaposan tanulmányozták volna. A mikroszintű kísérleti vizsgálatok új kérdéseket vetnek fel, amelyek megalapozott számítási indoklást igényelnek. A kutatás jellegének gyakorlati haszna is van: több ezer kilométernyi víz-, olaj-, gáz-, termékvezetéket fektettek le a világon. Minél több műszaki megoldást vezetnek be a szállítás közbeni turbulencia csökkentésére, annál hatékonyabb lesz.