प्रवेश की लंबाई (द्रव गतिकी)

द्रव गतिकी में, प्रवेश लंबाई वह दूरी है जो प्रवाह पूरी तरह से विकसित होने से पहले एक पाइप (द्रव संवहन) में प्रवेश करने के बाद यात्रा करता है। प्रवेश की लंबाई प्रवेश क्षेत्र की लंबाई को संदर्भित करती है, पाइप प्रवेश के बाद का क्षेत्र जहां पाइप की आंतरिक दीवार से उत्पन्न होने वाले प्रभाव एक विस्तारित सीमा परत के रूप में प्रवाह में फैलते हैं। जब सीमा परत पूरे पाइप को भरने के लिए फैलती है, तो विकासशील प्रवाह पूरी तरह से विकसित प्रवाह बन जाता है, जहां पाइप के साथ बढ़ी हुई दूरी के साथ प्रवाह की विशेषताएं अब नहीं बदलती हैं। विभिन्न प्रकार की प्रवाह स्थितियों का वर्णन करने के लिए कई अलग-अलग प्रवेश लंबाई मौजूद हैं। हाइड्रोडायनामिक प्रवेश लंबाई पाइप की दीवार से फैलने वाली चिपचिपाहट बलों के कारण वेग प्रोफ़ाइल के गठन का वर्णन करती है। थर्मल प्रवेश की लंबाई तापमान प्रोफ़ाइल के गठन का वर्णन करती है। इंस्ट्रूमेंटेशन के प्रभावी प्लेसमेंट के लिए प्रवेश की लंबाई के बारे में जागरूकता आवश्यक हो सकती है, जैसे द्रव प्रवाह माप।

हाइड्रोडायनामिक प्रवेश लंबाई

हाइड्रोडायनामिक प्रवेश क्षेत्र एक पाइप के क्षेत्र को संदर्भित करता है जहां एक पाइप में प्रवेश करने वाला द्रव एक पाइप की आंतरिक दीवार से फैलने वाली चिपचिपाहट के कारण एक वेग प्रोफ़ाइल विकसित करता है।यह क्षेत्र एक असमान प्रवाह की विशेषता है।द्रव एक समान वेग से एक पाइप में प्रवेश करता है, फिर पाइप की सतह के संपर्क में परत में द्रव के कण नो-स्लिप स्थिति के कारण पूर्ण रूप से बंद हो जाते हैं। द्रव के भीतर चिपचिपी ताकतों के कारण, पाइप की सतह के संपर्क में आने वाली परत आसन्न परतों की गति का विरोध करती है और तरल पदार्थ की आसन्न परतों को धीरे-धीरे धीमा कर देती है, जिससे एक वेग प्रोफ़ाइल बन जाती है। द्रव्यमान के संरक्षण को सही रखने के लिए, पाइप के केंद्र में द्रव की परतों का वेग पाइप की सतह के पास द्रव की परतों के घटे हुए वेग की भरपाई करने के लिए बढ़ जाता है। यह पाइप के क्रॉस-सेक्शन में वेग ढाल विकसित करता है।

सीमा परत

वह परत जिसमें अपरूपण श्यान बल महत्वपूर्ण होते हैं, सीमा परत कहलाती है।यह सीमा परत एक काल्पनिक अवधारणा है। यह पाइप में प्रवाह को दो क्षेत्रों में विभाजित करता है:

1. सीमा परत क्षेत्र: वह क्षेत्र जिसमें चिपचिपा प्रभाव और वेग परिवर्तन महत्वपूर्ण हैं।# इर्रोटेशनल (कोर) प्रवाह क्षेत्र: वह क्षेत्र जिसमें चिपचिपा प्रभाव और वेग परिवर्तन नगण्य होते हैं, जिसे इनविसिड कोर भी कहा जाता है।

जब द्रव सिर्फ पाइप में प्रवेश करता है, तो द्रव प्रवाह की दिशा में बढ़ते हुए सीमा परत की मोटाई धीरे-धीरे शून्य से बढ़ जाती है और अंततः पाइप केंद्र तक पहुंच जाती है और पूरे पाइप को भर देती है। पाइप के प्रवेश द्वार से उस बिंदु तक का यह क्षेत्र जहां सीमा परत पूरे पाइप को कवर करती है, उसे हाइड्रोडायनामिक प्रवेश क्षेत्र कहा जाता है और इस क्षेत्र में पाइप की लंबाई को हाइड्रोडायनामिक प्रवेश लंबाई कहा जाता है। इस क्षेत्र में, वेग प्रोफ़ाइल विकसित होती है और इस प्रकार प्रवाह को हाइड्रोडायनामिक रूप से विकासशील प्रवाह कहा जाता है। इस क्षेत्र के बाद, वेग प्रोफ़ाइल पूरी तरह से विकसित हो जाती है और अपरिवर्तित बनी रहती है। इस क्षेत्र को हाइड्रोडायनामिक रूप से पूर्ण विकसित क्षेत्र कहा जाता है। लेकिन यह पूरी तरह से विकसित द्रव प्रवाह नहीं है जब तक कि सामान्यीकृत तापमान प्रोफ़ाइल भी स्थिर नहीं हो जाती।

लामिनार प्रवाह के मामले में, पूर्ण विकसित क्षेत्र में वेग प्रोफ़ाइल परवलयिक है लेकिन अशांत प्रवाह के मामले में यह रेडियल दिशा और एड़ी गति में जोरदार मिश्रण के कारण थोड़ा सपाट हो जाता है।

पूर्ण विकसित क्षेत्र में वेग प्रोफ़ाइल अपरिवर्तित बनी हुई है।

हाइड्रोडायनामिक पूरी तरह से विकसित वेलोसिटी प्रोफाइल लामिना का प्रवाह:

 
$${\frac {\partial u(r,x)}{\partial x}}=0\quad \Rightarrow u=u(r)$$
 

कहाँ $x$ प्रवाह दिशा में है।

एक पाइप में प्रवेश करने वाले द्रव का विकासशील वेग प्रोफ़ाइल।

कतरनी तनाव

हाइड्रोडायनामिक प्रवेश क्षेत्र में, दीवार कतरनी तनाव, $\tau _{w}$, पाइप इनलेट पर उच्चतम है, जहां सीमा परत की मोटाई सबसे छोटी है। कतरनी तनाव प्रवाह दिशा के साथ घट जाती है।इसीलिए पाइप के प्रवेश क्षेत्र में दबाव ड्रॉप सबसे अधिक होता है, जो पूरे पाइप के लिए औसत फैनिंग घर्षण कारक को बढ़ाता है। लंबे पाइपों के लिए घर्षण कारक में यह वृद्धि नगण्य है।एक पूर्ण विकसित क्षेत्र में, दबाव प्रवणता और प्रवाह में अपरूपण तनाव संतुलन में होते हैं।

प्रवेश बिंदु से दूरी के साथ कतरनी तनाव की भिन्नता।

हाइड्रोडायनामिक प्रवेश लंबाई की गणना

पाइप के साथ हाइड्रोडायनामिक प्रवेश क्षेत्र की लंबाई को हाइड्रोडायनामिक प्रवेश लंबाई कहा जाता है। यह प्रवाह की रेनॉल्ड्स संख्या का एक कार्य है। लामिनार प्रवाह के मामले में, यह लंबाई निम्न द्वारा दी गई है:

$$L_{h,laminar}=0.0575Re_{D}D$$

कहाँ $R_{e}$ रेनॉल्ड्स संख्या है और $D$ पाइप का व्यास है।
लेकिन अशांत प्रवाह के मामले में,

$$L_{h,turbulent}=1.359D(Re_{D})^{1/4}.$$

इस प्रकार, लैमिनार की तुलना में अशांत प्रवाह में प्रवेश की लंबाई बहुत कम है। अधिकांश व्यावहारिक इंजीनियरिंग अनुप्रयोगों में, यह प्रवेश प्रभाव 10 गुना व्यास की पाइप लंबाई से परे महत्वहीन हो जाता है और इसलिए यह अनुमान लगाया जाता है:

$$L_{h,turbulent}\approx 10D$$

अन्य लेखक अधिक लंबी प्रवेश अवधि देते हैं, उदा.

• निकुराडसे सलाह देते हैं $40D$ और
• लियन एट अल। अनुशंसा करना $150D$ उच्च रेनॉल्ड्स प्रवाह के लिए।

गैर-परिपत्र क्रॉस-सेक्शन वाले पाइपों के लिए प्रवेश लंबाई

एक पाइप के गैर-परिपत्र क्रॉस-सेक्शन के मामले में, एक छोटे से संशोधन के साथ प्रवेश लंबाई खोजने के लिए एक ही सूत्र का उपयोग किया जा सकता है। एक नया पैरामीटर "हाइड्रोलिक व्यास" गैर-वृत्ताकार पाइप में प्रवाह को परिपत्र पाइप प्रवाह से संबंधित करता है। यह तब तक मान्य है जब तक कि क्रॉस-अनुभागीय क्षेत्र का आकार बहुत अधिक अतिरंजित न हो। हाइड्रोलिक व्यास को इस प्रकार परिभाषित किया गया है:

$$D_{h}={\frac {4A}{P}}$$

कहाँ $A$ क्रॉस-सेक्शन का क्षेत्र है और $P$ पाइप के गीले हिस्से का परिमाप है

पूर्ण विकसित प्रवाह का औसत वेग

पाइप (लैमिनार फ्लो) में पूरी तरह से विकसित प्रवाह क्षेत्र में एक छोटी मात्रा के तत्व पर बल संतुलन करने से, हमें केवल त्रिज्या के कार्य के रूप में वेग मिलता है अर्थात यह प्रवेश बिंदु से अक्षीय दूरी पर निर्भर नहीं करता है। त्रिज्या के कार्य के रूप में वेग निकलता है:

$$u(r)=-{\frac {R^{2}}{4\mu }}{\frac {dP}{dx}}\left(1-{\frac {r^{2}}{R^{2}}}\right)$$

कहां ${\textstyle {\frac {\mathrm {d} P}{\mathrm {d} x}}}$ स्थिर है।

औसत वेग की परिभाषा द्वारा दिया जाता है

$$V_{avg}={\frac {\int u\mathrm {d} A}{A_{c}}}$$

कहाँ $A_{c}$ अनुप्रस्थ क्षेत्र है।

इस प्रकार,

$${\begin{aligned}V_{avg}&={\frac {2}{R^{2}}}\int _{0}^{R}u(r)r\mathrm {d} r\\&=-{\frac {2}{R^{2}}}\int _{0}^{R}{\frac {R^{2}}{4\mu }}{\frac {dP}{dx}}(1-{\frac {r^{2}}{R^{2}}})r\mathrm {d} r\\&=-{\frac {R^{2}}{8\mu }}{\frac {dP}{dx}}\end{aligned}}$$

पूर्ण विकसित प्रवाह के लिए अधिकतम वेग होगा $r=0$
इस प्रकार,

$$U_{max}=2V_{avg}.$$

थर्मल प्रवेश लंबाई

थर्मल प्रवेश लंबाई एक स्थिर आकार के साथ एक तापमान प्रोफ़ाइल बनाने के लिए एक पाइप में आने वाले प्रवाह की दूरी है। पूरी तरह से विकसित तापमान प्रोफ़ाइल का आकार पाइप के अंदर की दीवार के साथ-साथ द्रव गुणों के तापमान और गर्मी प्रवाह की स्थिति से निर्धारित होता है।

सिंहावलोकन

एक पाइप में पूरी तरह से विकसित ऊष्मा प्रवाह को निम्नलिखित स्थिति में माना जा सकता है। यदि पाइप की दीवार को लगातार गर्म या ठंडा किया जाता है ताकि संवहन के माध्यम से दीवार से द्रव तक गर्मी का प्रवाह एक निश्चित मान हो, तो द्रव का थोक तापमान प्रवाह दिशा के साथ एक निश्चित दर से लगातार बढ़ता है।

एक उदाहरण एक विद्युत ताप पैड द्वारा पूरी तरह से कवर किया गया एक पाइप हो सकता है, जिसमें पैड से एक समान ताप प्रवाह प्राप्त होने के बाद प्रवाह शुरू किया जा सकता है। द्रव के प्रवेश द्वार से कुछ दूरी पर, पूरी तरह से विकसित ऊष्मा प्रवाह तब प्राप्त होता है जब द्रव का ऊष्मा अंतरण गुणांक स्थिर हो जाता है और प्रवाह के साथ तापमान प्रोफ़ाइल का आकार समान होता है। इस दूरी को थर्मल प्रवेश लंबाई के रूप में परिभाषित किया गया है, जो इंजीनियरों के लिए कुशल गर्मी हस्तांतरण प्रक्रियाओं को डिजाइन करने के लिए महत्वपूर्ण है।

लामिनार प्रवाह

लामिनार प्रवाह के लिए, थर्मल प्रवेश लंबाई पाइप व्यास और आयाम रहित रेनॉल्ड्स संख्या और प्रांटल संख्या का एक कार्य है।

$$\left({\frac {x_{fd,t}}{D}}\right)_{laminar}\approx 0.05Re_{D}Pr$$

कहाँ

• $Re_{D}$ रेनॉल्ड्स संख्या है (पाइप व्यास के आधार पर) और
• $Pr$ प्रान्तल संख्या है।

थर्मल प्रवेश लंबाई निर्धारित करने के लिए प्रांटल नंबर हाइड्रोडायनामिक प्रवेश लंबाई को संशोधित करता है। तापीय विसरणशीलता के संवेग विसरणशीलता के अनुपात के लिए प्रान्तल संख्या विमाहीन मात्रा है। एक से अधिक प्रांडटल संख्या वाले तरल पदार्थ के लिए थर्मल प्रवेश लंबाई हाइड्रोडायनामिक प्रवेश लंबाई से अधिक लंबी होगी, और यदि प्रांटल संख्या एक से कम है तो कम होगी। उदाहरण के लिए, पिघले हुए सोडियम की कम प्रांटल संख्या 0.004 होती है, इसलिए थर्मल प्रवेश की लंबाई हाइड्रोलिक प्रवेश की लंबाई से काफी कम होगी।

अशांत प्रवाह के लिए, थर्मल प्रवेश लंबाई केवल पाइप व्यास के आधार पर अनुमानित की जा सकती है।

$$\left({\frac {x_{fd,t}}{D}}\right)_{turbulent}\approx 10$$

कहाँ

• $x_{fd,t}$ थर्मल प्रवेश लंबाई है और
• $D$ पाइप भीतरी व्यास है।

हीट ट्रांसफर

प्रवाह में तापमान प्रोफ़ाइल का विकास पाइप और तरल पदार्थ की आंतरिक सतह पर गर्मी हस्तांतरण निर्धारित स्थितियों से प्रेरित होता है।हीट ट्रांसफर एक निरंतर गर्मी प्रवाह या निरंतर सतह के तापमान का परिणाम हो सकता है। गर्मी के स्रोत से जूल हीटिंग के कारण लगातार गर्मी प्रवाह हो सकता है, जैसे ताप टेप, पाइप के चारों ओर लपेटा जाता है। एक चरण संक्रमण द्वारा लगातार तापमान की स्थिति का उत्पादन किया जा सकता है, जैसे पाइप की सतह पर संतृप्त भाप का संघनन। संवहन (गर्मी हस्तांतरण) संवहन का वर्णन करता है, द्रव और पाइप के बीच गर्मी परिवहन का मुख्य रूप:

$$q''_{s}=h(T_{s}-T_{m})$$

कहाँ

• $q''_{s}$ द्रव में ऊष्मा का प्रवाह है,
• $h$ संवहन गुणांक है,
• $T_{s}$ सतह का तापमान है, और
• $T_{m}$ औसत धारा तापमान है।

लगातार सतही ऊष्मा प्रवाह का परिणाम होता है $T_{s}-T_{m}$जैसे-जैसे प्रवाह विकसित होता है स्थिर होता जाता है और सतह का तापमान स्थिर होता जाता है $T_{s}-T_{m}$ शून्य के करीब पहुंच रहा है।

तापीय रूप से पूर्ण विकसित प्रवाह

हाइड्रोडायनामिक विकसित प्रवाह के विपरीत, एक निरंतर प्रोफ़ाइल आकार का उपयोग तापीय रूप से पूर्ण विकसित प्रवाह को परिभाषित करने के लिए किया जाता है क्योंकि तापमान लगातार परिवेश के तापमान तक पहुंचता है। प्रोफ़ाइल आकार में परिवर्तन का आयाम रहित विश्लेषण परिभाषित करता है कि प्रवाह कब पूरी तरह से विकसित होता है।

तापीय रूप से पूर्ण विकसित प्रवाह के लिए आवश्यकताएँ:

$${\frac {\partial }{\partial x}}{\biggl (}{\frac {T_{s}-T}{T_{s}-T_{m}}}{\Biggr )}_{fd,t}=0$$

ऊष्मीय रूप से विकसित प्रवाह का परिणाम विकासशील प्रवाह की तुलना में कम गर्मी हस्तांतरण होता है क्योंकि पाइप की सतह के तापमान और प्रवाह के औसत तापमान के बीच का अंतर पाइप के सतह के तापमान और पाइप के पास द्रव के तापमान के बीच के तापमान के अंतर से अधिक होता है। सीमा।

एकाग्रता प्रवेश लंबाई

एकाग्रता प्रवेश लंबाई पूरी तरह से विकसित होने के प्रवाह में एकाग्रता प्रोफ़ाइल के लिए आवश्यक लंबाई का वर्णन करती है। सांद्रता प्रवेश लंबाई को श्मिट संख्या के साथ या प्रयोगात्मक तकनीकों द्वारा हाइड्रोडायनामिक प्रवेश लंबाई से संबंधित करके निर्धारित किया जा सकता है। श्मिट संख्या संवेग विसरणशीलता और द्रव्यमान विसरणशीलता के अनुपात का वर्णन करती है।

$$x_{fd,c}\approx 0.05DRe_{D}Sc$$

कहाँ

• $x_{fd,c}$ एकाग्रता प्रवेश लंबाई है,
• $D$ पाइप भीतरी व्यास है,
• $Re_{D}$ रेनॉल्ड्स संख्या है (पाइप व्यास के आधार पर), और
• $Sc$ श्मिट संख्या है।

अनुप्रयोग

प्रवाह प्रणालियों के डिजाइन और विश्लेषण के लिए प्रवेश लंबाई को समझना महत्वपूर्ण है। प्रवेश क्षेत्र में पाइप के पूर्ण विकसित क्षेत्र की तुलना में अलग वेग, तापमान और अन्य प्रोफाइल होंगे।

फ्लो मीटर

वेंचुरी फ्लो मीटर का चित्रण, डिफरेंशियल-प्रेशर फ्लो मीटर का एक उदाहरण।

कई प्रकार के फ्लो इंस्ट्रूमेंटेशन, जैसे फ्लो मापन, को ठीक से काम करने के लिए पूरी तरह से विकसित प्रवाह की आवश्यकता होती है।सामान्य प्रवाह मीटर, भंवर प्रवाह मीटर और अंतर-दबाव प्रवाह मीटर सहित, हाइड्रोडायनामिक रूप से पूर्ण विकसित प्रवाह की आवश्यकता होती है। हाइड्रॉलिक रूप से पूरी तरह से विकसित प्रवाह आमतौर पर प्रवाह मीटर से पहले पाइप के लंबे, सीधे खंड होने से प्राप्त होता है। वैकल्पिक रूप से, वांछित प्रवाह उत्पन्न करने के लिए प्रवाह कंडीशनिंग और स्ट्रेटनिंग उपकरणों का उपयोग किया जा सकता है।

पवन सुरंगें

पवन सुरंगें किसी वस्तु के वायुगतिकी का परीक्षण करने के लिए हवा के एक अदृश्य प्रवाह का उपयोग करती हैं। फ्लो स्ट्रेटनर, जिसमें कई समानांतर नलिकाएं होती हैं, जो विक्षोभ को सीमित करती हैं, का उपयोग अदृश्य प्रवाह उत्पन्न करने के लिए किया जाता है। पवन सुरंगों के डिजाइन में प्रवेश की लंबाई पर विचार किया जाना चाहिए, क्योंकि परीक्षण की जाने वाली वस्तु प्रवाह स्ट्रेटनर और प्रवेश लंबाई के बीच, इरोटेशनल फ्लो क्षेत्र में स्थित होनी चाहिए।

निकास लंबाई

पाइप के प्रवेश द्वार पर प्रवाह के विकास के समान, प्रवाह वेग प्रोफ़ाइल पाइप के बाहर निकलने से पहले बदल जाती है। निकास की लंबाई प्रवेश की लंबाई से बहुत कम है, और मध्यम से उच्च रेनॉल्ड्स संख्या में महत्वपूर्ण नहीं है।

लामिनार प्रवाह के लिए हाइड्रोलिक निकास लंबाई अनुमानित की जा सकती है:

$$\left({\frac {x}{D}}\right)_{Lam}\approx {\begin{cases}{\frac {1}{2}}&{\text{Low }}Re\\0&Re>100\end{cases}}$$

कहाँ

• $x$ निकास लंबाई है,
• $D$ पाइप भीतरी व्यास है, और
• $Re$ रेनॉल्ड्स संख्या है।

यह भी देखें

• द्रव गतिविज्ञान
• गर्मी का हस्तांतरण
• लामिना का प्रवाह
• थर्मल प्रवेश लंबाई
• अशांति
• श्यानता