Pochopení turbulence proudění

Zařízení

Přenosný vyvažovač a analyzátor vibrací Balanset-1A

Díly

Optický senzor (laserový otáčkoměr)

Kompletní sada pro vibrační diagnostiku a vyvažování od společnosti Vibromera, včetně čtyř vibračních senzorů s kabely, modulu signálního rozhraní, laserového otáčkoměru s magnetickým stojanem, digitální váhy, USB kabelu a přepravního kufříku. Systém je určen pro vyvažování rotorů a monitorování stavu průmyslových zařízení.

Zařízení

Magnetický stojan Insize-60-kgf

Díly

Dynamický balancer "Balanset-1A" OEM

Definice: Co je to turbulence proudění?

Turbulence proudění je chaotický, nepravidelný pohyb tekutiny charakterizovaný náhodnými kolísáními rychlosti, vířivými víry a víry v čerpadlech, ventilátorech, kompresorech a potrubních systémech. Na rozdíl od plynulého laminárního proudění, kde se částice tekutiny pohybují po uspořádaných rovnoběžných drahách, turbulentní proudění vykazuje náhodný trojrozměrný pohyb s plynule se měnící rychlostí a tlakem. V rotujících strojích vytváří turbulence nestálé síly na oběžná kola a lopatky, čímž vzniká širokopásmové vlnění. vibrace, hluk, ztráty energie a přispívání k únavě součástí.

I když je určitá turbulence v mnoha aplikacích nevyhnutelná a dokonce žádoucí (turbulentní proudění zajišťuje lepší míchání a přenos tepla), nadměrná turbulence způsobená špatnými vstupními podmínkami, provozem mimo konstrukční rámec nebo oddělením proudění vytváří problémy s vibracemi, snižuje účinnost a urychluje mechanické opotřebení čerpadel a ventilátorů.

Charakteristiky turbulentního proudění

Přechod režimu proudění

Přechod proudění z laminárního na turbulentní na základě Reynoldsova čísla:

Reynoldsovo číslo (Re): Re = (ρ × V × D) / µ
Kde ρ = hustota, V = rychlost, D = charakteristický rozměr, µ = viskozita
Laminární proudění: Re < 2300 (hladké, uspořádané)
Přechodné: Re 2300-4000
Turbulentní proudění: Re > 4000 (chaotické, nepravidelné)
Průmyslové stroje: Téměř vždy funguje v turbulentním režimu

Charakteristiky turbulence

Náhodné kolísání rychlosti: Okamžitá rychlost se chaoticky mění kolem střední hodnoty
Víry a víry: Vířivé struktury různých velikostí
Energetická kaskáda: Velké víry se rozpadají na postupně menší víry
Míchání: Rychlé míchání hybnosti, tepla a hmoty
Ztráta energie: Turbulentní tření přeměňuje kinetickou energii na teplo

Zdroje turbulence ve strojích

Poruchy na vstupu

Špatný návrh vstupu: Ostré zatáčky, překážky, nedostatečná délka rovných úseků
Vír: Předběžná rotace kapaliny vstupující do oběžného kola/ventilátoru
Nerovnoměrná rychlost: Profil rychlosti zkreslený oproti ideálnímu
Účinek: Zvýšená intenzita turbulence, zvýšené vibrace, snížený výkon

Oddělení proudění

Nepříznivé tlakové gradienty: Tok se odděluje od povrchů
Provoz mimo rámec návrhu: Nesprávné úhly proudění způsobující oddělování lopatek
Stánek: Rozsáhlé oddělení na straně sání lopatek
Výsledek: Velmi vysoká intenzita turbulence, chaotické síly

Probuzené oblasti

Turbulentní brázdy po proudu od lopatek, vzpěr nebo překážek
Vysoká intenzita turbulence v úplavu
Následné komponenty jsou vystaveny nestabilním silám
Interakce lopatky a brázdy je důležitá u vícestupňových strojů

Regiony s vysokou rychlostí

Intenzita turbulence se obecně zvyšuje s rychlostí
Oblasti hrotů oběžných kol, oblasti s vysokou turbulencí výtlačných trysek
Vytváří lokalizované vysoké síly a opotřebení

Vlivy na stroje

Generování vibrací

Vibrace širokopásmového připojení: Turbulence vytváří náhodné síly v širokém frekvenčním rozsahu
Spektrum: Zvýšená hladina šumu spíše než diskrétní špičky
Amplituda: Zvyšuje se s intenzitou turbulence
Frekvenční rozsah: Typicky 10–500 Hz pro vibrace vyvolané turbulencí

Generování šumu

Turbulence je primárním zdrojem aerodynamického hluku
Zvuk “svištění” nebo “spěchání” širokopásmového připojení
Hladina hluku úměrná rychlosti^6 (velmi citlivá na rychlost)
Může být dominantním zdrojem hluku u vysokorychlostních ventilátorů

Ztráty účinnosti

Turbulentní tření rozptyluje energii
Snižuje nárůst tlaku a průtok
Typické ztráty turbulencí: 2-10% vstupního výkonu
Zvyšuje se s provozem mimo rámec návrhu

Únava součásti

Náhodné kolísavé síly vytvářejí cyklické napětí
Vysokofrekvenční cyklování stresu
Přispívá k čepeli a struktuře únava
Zvláště znepokojivé při vysokých rychlostech

Eroze a opotřebení

Turbulence zvyšuje erozi v abrazivním prostředí
Částice suspendované turbulentními nárazovými plochami
Zrychlené opotřebení v oblastech s vysokou turbulencí

Detekce a diagnostika

Indikátory vibračního spektra

Zvýšené širokopásmové připojení: Vysoká hladina šumu napříč spektrem
Nedostatek diskrétních vrcholů: Na rozdíl od mechanických poruch se specifickými frekvencemi
Závislé na průtoku: Úroveň širokopásmového připojení se mění v závislosti na rychlosti proudění
Minimálně při BEP: Nejnižší turbulence v návrhovém bodě

Akustická analýza

Měření hladiny akustického tlaku
Zvýšení širokopásmového šumu naznačuje turbulenci
Akustické spektrum podobné vibračnímu spektru
Směrové mikrofony dokáží lokalizovat zdroje turbulence

Vizualizace toku

Výpočetní dynamika tekutin (CFD) během návrhu
Vizualizace proudění nebo kouře v testu
Měření tlaku ukazující kolísání
Velocimetrie zobrazování částic (PIV) ve výzkumu

Strategie zmírňování

Vylepšení návrhu vstupů

Zajistěte dostatečnou délku přímého potrubí proti proudu (minimálně 5–10 průměrů)
Bezprostředně před vstupem odstraňte ostré ohyby
Použijte usměrňovače proudění nebo otočné lopatky
Vstupní otvory ve tvaru zvonu nebo aerodynamické vstupy snižují vznik turbulencí

Optimalizace operačního bodu

Provoz v blízkosti bodu nejvyšší účinnosti (BEP)
Úhly proudění odpovídají úhlům lopatek, čímž se minimalizuje oddělování
Minimální generování turbulencí
Variabilní regulace otáček pro udržení optimálního bodu

Úpravy designu

Plynulé přechody v průtokových kanálech (bez ostrých rohů)
Difuzéry pro postupné zpomalování proudění
Potlačovače vírů nebo zařízení proti víření
Akustická výstelka pro absorpci hluku generovaného turbulencí

Turbulence vs. jiné proudové jevy

Turbulence vs. kavitace

Turbulence: Širokopásmové, nepřetržité, závislé na toku
Kavitace: Impulzivní, vyšší frekvence, závislý na NPSH
Obě: Mohou koexistovat, oba vytvářejí širokopásmové vibrace

Turbulence vs. recirkulace

Turbulence: Náhodné, širokopásmové, přítomné ve všech tocích
Recirkulace: Organizovaná nestabilita, nízkofrekvenční pulzace, pouze při nízkém průtoku
Vztah: Recirkulační zóny jsou vysoce turbulentní

Turbulence proudění je inherentní charakteristikou vysokorychlostního proudění kapaliny v rotačních strojích. I když je nevyhnutelná, její intenzitu a účinky lze minimalizovat správným návrhem vstupu, provozem blízko návrhového bodu a optimalizací proudění. Pochopení turbulence jako zdroje širokopásmových vibrací a hluku umožňuje odlišit ji od mechanických poruch s diskrétní frekvencí a vede k vhodným nápravným opatřením zaměřeným na podmínky proudění spíše než na mechanické opravy.

← Zpět na hlavní index

Co je turbulence proudění? Nestacionární vibrace proudění

Publikováno uživatelem admin dne Říjen 31, 2025 Říjen 31, 2025