זרימה שכבתית

The streamlines associated with laminar flow resemble a deck of cards. This flow profile of a fluid in a pipe shows that the fluid acts in layers and slides over one another.

זרימה שכבתית (נקראת גם זרימה למינרית) מתרחשת כאשר זורם נע בשכבות מקבילות ללא הפרעה בין השכבות. זרימה שכבתית מאופיינת כמשטר זרימה מסודר בו הגיאומטריה בלבד מכתיבה את כיוון הזרימה. במהירויות נמוכות הזורם נע ללא ערבוב בשכבות סמוכות אשר מחליקות אחת ביחס לשניה בדומה לקלפי משחק. לא קיימות מערבולות בשדה הזרימה או זרמים צולבים המאונכים לכיוון הזרימה. בתחום מכניקת הזורמים, זרימה שכבתית מאופיינת בתנע פעפוע גבוה ובתנע הסעה נמוך (תנועה בתוך הנוזל).

רקע היסטורי

המדען הבריטי אוסבורן ריינולדס (1842-1912) היה לראשון שחקר לעומק ועשה אבחנה בין זרימה למינרית לזרימה טורבולנטית, בהמשך ביצע ריינולדס אנליזה מימדית שבעקבותיה גילה (1883) גודל חסר מימד שלימים יקרא על שמו, מספר ריינולדס.

מספר ריינולדס

מספר ריינולדס מוגדר כיחס בין כוחות האינרציה לכוחות הצמיגות הפועלים על הזורם ומשמש עד עצם היום הזה כפרמטר חשוב אשר בעזרתו נעשית אבחנה בין זרימה למינרית לזרימה טורבולנטית במקרים בהם קיימת מהירות יחסית בין זורם למשטח.

${\mbox{Re}}={\frac {\textrm {inertialForces}}{\textrm {ViscousForces}}}={\rho v_{s}L \over \mu }={v_{s}L \over \nu }={{QL} \over {\nu }A}$

עבור גיאומטריות שונות ישנו ערך גבול למספר ריינולדס אשר תחתיו הזרימה היא למינרית ומעליו טורבולנטית, ערך גבול זה אינו קבוע ותלוי בפרמטרים שונים כמו חספוס המשטח או הפרעות בשדה הזרימה.

דוגמא : לרוב עבור זרימה בצינור בעל חתך עגול $Re>2000$ מעיד על זרימה טורבולנטית, למרות זאת בניסוי מבוקר על ידי מאמצים לשמור את הזרימה נטולה מהפרעות ושימוש במשטח חלק מאוד הצליחו לשמור על זרימה למינרית עבור $Re=100000$

זרימה למינרית וזרימה טורבולנטית

זורם הנע בערוץ סגור כדוגמאת צינור או בין שני לוחות שטוחים ימצא באחד משני משטרי זרימה כתלות במהירות הזרימה(ובעוד פרמטרים, ראה מספר ריינולדס ): זרימה למינרית או זרימה טורבולנטית. זרימה למינרית מתרחשת במהירויות נמוכות יחסית, כאשר מעלים במידה נדרשת את מהירות הזרימה משטר הזרימה משתנה וזרימה טורבולנטית המאופיינת כזרימה כאוטית, בעלת ערבוב יעיל ואשר נוצרות בה מערבולות מופיעה. בשפה לא מדעית, זרימה למינרית מתוארת כזרימה "חלקה" לעומת זרימה טורבולנטית המתוארת כזרימה "מחוספסת".

ערכים אופיניים עבור מספר ריינולדס למעבר בין זרימה למינרית לטורבולנטית

-בזרימה בין שני לוחות אינסופיים סטטיים (זרימת פואזיל) ערך הגבול האופייני הוא: $Re=1400$

-בזרימה בין שני לוחות אינסופיים כאשר אחד מהם נע במהירות קבועה $Uo$ (זרימת קואט) ערך הגבול האופייני הוא: $Re=1500$

-בזרימה בצינור בעל חתך עגול ערך הגבול האופייני הוא: $Re=2000$

An object moving through a gas or liquid experiences a force in direction opposite to its motion. Terminal velocity is achieved when the drag force is equal in magnitude but opposite in direction to the force propelling the object. Shown is a sphere in Stokes flow, at very low Reynolds number.

זרימה זוחלת

כאשר $Re<<1$ מתפתחת זרימה זוחלת או זרימת סטוקס, זהו מקרה קיצוני של זרימה למינרית בו השפעות הצמיגות גדולות משמעותית והכוחות האינרציאליים ניתנים להזנחה, המשוואות התארות תנועב זו הן משוואות סטוקס. הבנה מעמיקה בנושא זרימה זוחלת חשובה בתחומים רבים, בין היתר: מיקרו-זרימות, זרימות בתחום הביולוגיה, שקיעה של מוצק בנוזל, הפרדת חלקיקים ועוד.

שכבת גבול למינרית

שכבת גבול היא שכבת זורם בסמוך למשטח כלשהו אשר בה השפעות הצמיגות משמעותיות. שכבת הגבול הינה נושא חשוב מאוד במכניקת הזורמים אך גם בתחומים כגון מעבר חום או חשמל יש שימוש רב לנושא זה. ידע נרחב בנושא שכבת הגבול קריטי הבנה בנושאים רבים: חישוב והבנת גרר על מטוסים/אוניות/מכוניות, מניעת ניתוקי זרימה, קשיחות מכונות בזרימה ועוד.

דוגמא: נבחן את הזרימה על כנף מטוס.שכבת הגבול היא יריעה דקה של אויר מעל משטח הכנף. בעקבות צמיגות האויר, שכבת אויר זאת נוטה להיצמד לכנף. עם התקדמות הכנף דרך האויר, שכבת הגבול זורמת בצורה חלקה על משטח הכנף הבנויה בדומה לקו זרם. במקרה זה הזרימה למינרית ושכבת הגבול נקראת שכבת גבול למינרית. בשנת 1904 הציג לודוויג פרנטל את הרעיון של שכבת גבול למינרית הנוצרת על כנף דקה.

קישורים חיצוניים

• סרטון המדגים סוגי הזרימה שונים
• סרטון המדגים זרימה שכבתית (עברית)

ערך זה הוא קצרמר בנושא פיזיקה. אתם מוזמנים לתרום לוויקיפדיה ולהרחיב אותו.