Flusso turbolento spiegato e strato limite nelle auto da corsa

Qual è la differenza tra flusso turbolento e laminare?

Questa lezione sarà molto tecnica e si concentrerà soprattutto sulla distinzione tra laminare e turbolento flusso. Una definizione incompleta di flusso laminare può essere "il moto delle particelle del fluido è molto ordinato, con le particelle vicine a una superficie solida che si muovono in linee rette parallele a tale superficie" o in parole leggermente diverse: "flusso laminare è caratterizzata da particelle fluide che seguono percorsi regolari in strati, con ogni strato che si muove dolcemente oltre gli strati adiacenti con una miscelazione minima o nulla".

Infatti, non c'è un accordo completo nella definizione di flusso turbolento, quindi la sua incompletezza si riflette anche su lDefinizione di condizione aminaria.

Quando un flusso d'aria è turbolento?

In generale, il flusso può essere definito come turbolento quando:

  • il processo è casuale;
  • La turbolenza comporta un'ampia gamma di intervalli spaziali e temporali;
  • Si presenta ad alte Numero di Reynolds;
  • La turbolenza è intrinsecamente tridimensionale;
  • La turbolenza è un fenomeno continuo;
  • Turbolenza si dissipa energia.

Numero di Reynolds e flusso turbolento.

A questo argomento sarà dedicata una lezione dettagliata sulle turbolenze. Tuttavia, ora dobbiamo definire il parametro Numero di Reynolds.

\(\begin{align} Re=\frac{\rho v L}{\mu} \end{align} \)

dove \( \rho \) è la densità del fluido, \( \mu \) è la viscosità dinamica, v è la velocità del fluido e L è la lunghezza caratteristica dei fenomeni. Questo numero adimensionalizzato riflette il rapporto tra le forze d'inerzia e le forze viscose. Quando un valore critico di numero di Reynolds viene raggiunto, inizia la transizione da flusso laminare a flusso tubulento. È importante sottolineare che il equazioni di governo rimangono invariate:

Equazioni di Navier-Stokes

Equazioni di Navier-Stokes

Quali sono le principali regioni dello strato limite turbolento?

Lo strato limite che si sviluppa nel flusso turbolento può essere suddiviso in poche regioni significative:

  • sottostrato viscoso dove \( u^+=y^+ \)
  • strato tampone, una regione di transizione tra la regione viscosa e quella dei tronchi;
  • regione logaritmica dove \( u^+=\frac{1}{k}ln\frac{yu_{\tau}}{\nu} +C \) dove k=0,41 (costante di Von Karman) e C=5 (costante di Coles)

Strato limite turbolento

Lo studio dello strato limite turbolento.

Lo schema mostra le diverse regioni all'interno di un flusso delimitato da pareti a numeri di Reynolds tipici del laboratorio e del campo. Lo strato interno comprende il sottostrato viscoso e la regione del log. Tra le due regioni, da circa y+=5 e y+=30 è situata la cosiddetta strato tamponedove sia lo stress viscoso che lo shear stress della turbolenza sono importanti e dove si verifica il picco di produzione e dissipazione dell'energia cinetica della turbolenza.

La definizione di velocità di attrito e lunghezza viscosa è riportata di seguito.

Velocità di attrito

Unità di misura della parete, velocità di attrito e lunghezza viscosa

Nella regione del log la sollecitazione viscosa è trascurabile e (come si vedrà) la sollecitazione di Reynolds è quasi costante.

Valore dell'attrito cutaneo per lo strato limite turbolento e laminare.

La flusso di turbolenza determina valori più elevati del coefficiente di attrito cutaneo a causa delle maggiori sollecitazioni di taglio. L'andamento dell'attrito cutaneo (che produce una quantità di resistenza aerodinamica) è riportato nell'immagine seguente.

Coefficiente di attrito cutaneo

Perché, quindi, i profili laminari dei flussi laminari sono non sempre preferito? Perché lo strato limite più energico del flusso turbolento può permettere una migliore gradiente di pressione negativo e ritardare il distacco del flusso. Un esempio seguirà nella prossima Lezione 4 sulla pallina da golf. Siete interessati ad acquistare generatore di vortici per ridurre la resistenza alla pressione?

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