Co to jest liczba Reynoldsa?
Liczba Reynoldsa (Re) jest liczbą bezwymiarową związaną z mechaniką płynów. Jest to jeden z najważniejszych atrybutów używanych do sumowania sił działających na płyn i na podstawie jego wartości określa się turbulencję lub brak turbulencji płynu. Nazwa pochodzi od Osborne Reynolds, który przeprowadził wiele pionierskich badań w mechanice płynów pod koniec XIX i na początku XX wieku. Zmiany ilości są przedstawione na osi X wykresu Moody'ego, jednego z bardziej przydatnych wykresów w mechanice płynów.
Dokładniej, liczba Reynoldsa jest zdefiniowana jako stosunek sił bezwładności, które przyczyniają się do turbulencji, do sił lepkich, które działają przeciwko turbulencji w płynie. Innymi słowy, liczba opisuje prawdopodobieństwo, że przepływ będzie laminarny lub turbulentny dla danego zestawu warunków fizycznych. Przepływ laminarny lub gładki wskazuje, że wszystko w przepływie płynu porusza się w tym samym kierunku i te wewnętrzne przepływy nie wpływają na siebie nawzajem. Z drugiej strony przepływ turbulentny wskazuje, że w głównym strumieniu powstają zakłócenia lub wiry.
Najczęstszy przykład przepływu laminarnego i turbulentnego można znaleźć przy zlewie. Gdy woda jest włączana po raz pierwszy i nie płynie bardzo szybko, jest czysta. Większość wewnętrznych przepływów wody nie wchodzi w interakcje ze sobą i porusza się w tym samym kierunku; jest to przepływ laminarny i wskazuje na niską liczbę Reynoldsa. Wraz ze wzrostem ilości i prędkości wody zmienia kolor na biały. Przepływy wewnętrzne zaczynają kolidować ze sobą w przepływie turbulentnym, wprowadzając powietrze do strumienia wody.
Innym przykładem tej koncepcji jest wyobrażenie sobie obiektu poruszającego się przez płyn. Im szybciej obiekt się porusza, tym gęstsza jest ciecz i im więcej czasu obiekt się porusza, tym bardziej prawdopodobne jest, że przepływ płynu będzie turbulentny. Im bardziej lepki lub lepki jest płyn, tym większa szansa, że jego grubość zadziała na przepływ turbulentny.
Matematycznie liczbę Reynoldsa definiuje się jako:
Re = ρ * V * L / µ
Gdzie Re = liczba Reynoldsa
ρ = gęstość płynu (zwykle funt / stopa 3 lub
V = prędkość (zwykle ft / s lub m / s)
L = długość podróży (zwykle w stopach lub m)
W rurze lub kanale L = promień hydrauliczny (zwykle ft lub m)
µ = lepkość dynamiczna płynu (zwykle funt / (ft * s) lub kg / (m * s) lub Pa * s)
Z równania widać, że liczba Reynoldsa jest wprost proporcjonalna do długości. Zmienia się również proporcjonalnie do długości i gęstości płynu. Wszystkie liczby ρ , V i L przyczyniają się do sił bezwładności, podczas gdy µ przyczynia się tylko do sił lepkości.
Dla Re 2300 lub mniejszej przepływ płynu jest uważany za laminarny. Natomiast przepływ turbulentny osiągany jest, gdy Re jest większe niż 4000. Wartości liczby Reynoldsa między tymi dwiema wielkościami wskazują przepływy przejściowe, które mogą wykazywać cechy charakterystyczne obu rodzajów przepływu.
Liczba Reynoldsa jest wykorzystywana w wielu różnych zastosowaniach mechaniki płynów. Jest to niezbędna część obliczeń współczynnika tarcia w niektórych równaniach mechaniki płynów, takich jak równanie Darcy – Weisbacha. Innym powszechnym zastosowaniem tej liczby jest modelowanie organizmów pływających w wodzie, a ta aplikacja została wykonana od największych zwierząt - takich jak płetwal błękitny - do bardzo małych zwierząt, w tym mikroorganizmów. Ma nawet zastosowania w modelowaniu przepływu powietrza wokół obiektów, takich jak skrzydła samolotu.