Co je Reynoldsovo číslo?

Už jste se někdy dívali na tok v přírodě – třeba na vodopád – a přemýšleli, proč plyne hladce? Nebo chaoticky? Nebo obojí? Odpověď spočívá v relativní velikosti různých sil v proudění, které lze znázornit výpočtem Reynoldsova čísla – důležitého bezrozměrného parametru používaného v mechanice tekutin, který pomáhá předpovídat chování tekutin. Reynoldsovo číslo je však často nesprávně vyjádřeno, což může vést k nepřesným předpovědím. Abychom Reynoldsovo číslo a jeho význam pochopili, je třeba nejprve porozumět tomu, co je to Reynoldsovo číslo a jak se počítá.

Mumlavský vodopád

Bezrozměrná čísla se používají v několika odvětvích vědy a techniky. Efektivně snižuje počet proměnných a umožňuje smysluplné korelace fyzikálních jevů ve škálovatelných systémech. Jedním z příkladů je Reynoldsovo číslo (Re), které určuje poměr setrvačné a viskózní síly v proudění. Je známo, že nízké Reynoldsovo číslo pod určitou hranicí způsobuje uspořádané hladké laminární proudění bez výrazného míchání.

Reynoldsovo číslo lze vypočítat pomocí následující rovnice:

Ve kterém je ρ je hustota kapaliny, v charakterizuje rychlost definující proudění, L je charakteristický rozměr v systému a µ je dynamická viskozita kapaliny. 

Viskózní síly v laminárním proudění bývají v porovnání setrvačnou silou velké. Zvýšení Reynoldsova čísla způsobuje přechod proudění z laminárního na turbulentní, které se vyznačuje nestacionárními, náhodnými chaotickými vlastnostmi s různými vířivými strukturami. Reynoldsovo číslo, při kterém proudění přechází z laminárního na turbulentní se nazývá kritické Reynoldsovo číslo.

Reynoldsovo číslo přechodu je ovlivněno několika faktory, jako je hladkost povrchu proudění a rušivé vlivy v okolí. Jeho hodnota není univerzální. Pro vnitřní proudění s hladkým povrchem má hodnotu přibližně 2 300 a pro vnější proudění kolem překážky může dosahovat až 20 000. 

Omezení Reynoldsova čísla

Definice a výklad Reynoldsova čísla jsou někdy nejednoznačné. Nedorozumění může vzniknout při přesné definice charakterizující rychlosti a charakteristického rozměru. Někdy se Reynoldsovo číslo interpretuje jako poměr konvekce proudění k disipaci proudění. Jindy je interpretováno jako poměr uměle definované turbulentní viskozity k molekulární viskozitě.

Bez ohledu na tyto rozdíly je základní definice Reynoldsova čísla jako poměr setrvačních a difůzních účinků všeobecně platná a je základním stavebním kamenem počítačové mechaniky tekutin (CFD) s širokou škálou aplikací.

CFD je dnes nepostradatelným nástrojem v konstrukčním cyklu řady průmyslových výrobků. Reynoldovo číslo hraje důležitou roli při pochopení chování proudění v různých konstrukčních variantách a provozních podmínkách. Apriorní znalost velikosti Reynoldsova čísla pomáhá při vhodném výběru fyzikálních modelů v CFD studii.

Na rozdíl od běžného vnímání využívá CFD korelace představující fyzikální zákony a chování v oblasti turbulence, přenosu tepla, vícefázového proudění a spalování. Reynoldosova čísla také pomáhají při interpretaci řešení CFD. Turbulentní a laminární proudění vykazují odlišné charakteristiky ovlivňují separaci proudění, chování při stagnaci a vlastnosti odporu a poklesu tlaku. Znalost globálního Reynoldsova čísla je užitečná při analýze různých vlastností a chování proudění.

Při mimořádně vysokém Reynoldsově čísle je turbulence intenzivní, což může způsobit mimořádně velký odpor vzduchu. Reynoldsovo číslo můžete použít k předpovědi přechodu z laminárního do turbulentního proudění a k modelování různých situací pro řešení odporu vzduchu.

Reynoldsovo číslo je pro CFD zásadní, protože je základním stavebním prvkem, který se používá k předpovídání přechodu z laminárního do turbulentního proudění, k modelování různých situací proudění a k pochopení toho, jak se proudění vzduchu chová.