Bronkhorst

Wat is het verschil tussen laminaire flow en turbulente flow?

3 Maart, 2020 Allard Overmeen
Laminar turbulent flow


Thermische flowinstrumenten werken het best met laminaire flow. Tenminste, als we het over thermische massflowmeters en -regelaars met een bypass-sensor hebben. Om met zo'n flowinstrument een nauwkeurige meting uit te voeren is laminaire flow het meest geschikt.

Toch zul je in de praktijk regelmatig met turbulente flow te maken hebben. Deze kan ontstaan door de combinatie van restricties in een installatie, bijvoorbeeld ventielen of adapters, en een hoge stroomsnelheid. Dit effect wordt 'turbulentie' genoemd. Door turbulente flow  kan je meting onnauwkeurig worden, en dat wil je natuurlijk niet.



 

Hoe kunnen we dit turbulentie-effect voorkomen? Laten we beginnen met uit te leggen wat turbulentie is:

"Turbulentie is een gevaarlijk onderwerp dat vaak aan de basis ligt van serieuze conflicten in wetenschappelijke bijeenkomsten, omdat er sterk uiteeenlopende opvattingen over bestaan die allemaal zeer complex zijn en geen van alle het probeem kunnen oplossen". Marcel Lesieur, 1987

Turbulente flow versus laminaire flow

Hoe weet je of het laminaire flow is of turbulente flow?

In grote lijnen onderscheiden we twee soorten flow: laminaire en turbulente flow. Op de foto is te zien dat de laminaire flow is gevisualiseerd door middel van een experiment met inkt in een ronde buis. De inkt is ingebracht in het midden van een glazen buis waar water doorheen stroomt. Stroomt het water langzaam, dan lijkt de inkt er niet mee te mengen en lopen de stroomlijnen parallel. Dat noemen we laminaire flow.

Neemt de stroomsnelheid van het water toe, dan vindt bij een bepaalde snelheid een verandering plaats. De stroming wordt volledig verstoord en water en inkt zijn niet meer van elkaar te onderscheiden. De stroomlijnen zijn nu niet meer lineair, maar lopen door elkaar. Dit noemen we turbulente flow.

Laminar and turbulent flow profile

Het belang van het Reynoldsgetal (Re)

Hoe bereiken we het doel van toename en afname? In theorie hangt het stromingspatroon af van vier variabelen:
 
  •  Diameter van de buis
  •  Snelheid van de vloeistof
  •  Dichtheid van de vloeistof
  •  Dynamische viscositeit van de vloeistof

De factoren samen zorgen voor het zogenaamde Reynoldsgetal (Re), een belangrijke parameter die beschrijft of stromingscondities leiden tot laminaire flow of turbulente flow. In het algemeen kan gesteld worden dat een laminaire flow optreedt bij een laag Reynoldsgetal (≤ ca. 2300) en een turbulente flow bij een hoog Reynoldsgetal (≥ ca. 3000). Tussen deze twee getallen (Re 2300-3000) heb je een 'overgangsflow', wat betekent dat de flow laminair of turbulent kan zijn (genoemde getallen zijn voor een cilindrische buis). 
 

Wanneer kan het turbulentie-effect optreden?

Zoals gezegd is turbulentie-effect een veelvoorkomend effect dat kan optreden in installaties met (te veel) restricties, zoals kleppen of adapters, in combinatie met een hoge snelheid van de gebruikte vloeistof. Bij elke beperking is de flow verstoord en zal de snelheid van het gas veranderen. Naast het gebruik van restricties is de leidinglengte iets om rekening mee te houden. Omdat het enige tijd duurt voordat een turbulente flow weer laminair wordt, is het belangrijk om de juiste buislengte te gebruiken.

Een turbulente flow is iets wat u wilt voorkomen bij de inlaat van uw flowmeter, omdat het de nauwkeurigheid van uw meting kan beïnvloeden. Het heeft de voorkeur om een laminaire flow te hebben vlak voor uw flow instrument. Het instrument zelf dat als flowregelaar wordt gebruikt, met een klep achter de meter, kan echter weer een turbulente flow veroorzaken.

Niet alle soorten flowmeters ervaren dit als nadelig. Vooral thermische flowmeters die gebruik maken van het bypassprincipe zijn gevoelig voor dit effect. Debietmeters op basis van het Coriolis, CTA (Constant Temperature Anemometry) of Ultrasoon principe zijn onafhankelijk van turbulentie.


 

Laminair flow element LFE
Laminair flow element (LFE)

Waarom zijn thermische flowmeters met bypass-sensoren gevoeliger?

Bij instrumenten met een bypass-sensor gaat het grootste deel van de stroming door een restrictie en maar een klein deel door de sensor. De verhouding tussen die twee flows wordt bepaald door de drukvermindering in de sensor en de restrictie van laminaire flow. Turbulentie verstoort die verhouding. Omdat instrumenten met een bypass-sensor vaak voor zeer nauwkeurige metingen worden gebruikt, kan turbulentie de resultaten ervan sterk beïnvloeden.

Heeft u meer informatie nodig over het werkingsprincipe van de flowapparaten?

Bekijk de principes van de flowmeters en -regelaars

Hoe kun je de negatieve gevolgen van turbulente stroming zoveel mogelijk beperken?

Maak je gebruik van thermische massflowmeters met bypass-sensor, dan is het volgende aan te raden:

1) Probeer restricties in je proces, zoals ventielen, adapters en haakse koppelingen, te vermijden:

  • Plaats de flowmeter niet vlak na een restrictie, bijvoorbeeld een ventiel. Als je niet anders kunt, zou je gebruik kunnen maken van een turbulentiefilter tussen het ventiel en de flowmeter, of van een flowmeter met geïntegreerd turbulentiefilter.
  • Gebruik zo weinig mogelijk haakse koppelingen in de buurt van een flowmeter.

2) Gebruik de juiste pijplengte, zodat de flow niet te hoog is. Over het algemeen kun je het best een pijplengte kiezen van:

  • 10x de diameter van de pijp bij de invoer van het instrument
  • 4x de diameter van de pijp bij de uitvoer van het instrument (geldt alleen voor flowmeters)
  • Bij gasdebieten > 100 l/min wordt gewoonlijk minimaal een pijp van 12mm (of ½”) gebruikt.

3) Gebruik een turbulentiefilter in je flowproces.

Daardoor wordt de flow gefilterd en weer laminair gemaakt voor deze bij de sensor is. Tegenwoordig is zo'n filter vaak geïntegreerd in de flowmeter (bijvoorbeeld bij de EL-FLOW serie van Bronkhorst) of is er sprake van een verlengd stroompad in de flowmeter (bijvoorbeeld bij de LOW-ΔP-FLOW flowmeters van Bronkhorst).

Het hangt allemaal af van het proces en de toepassing

De gevolgen van turbulentie zijn sterk afhankelijk van de applicatie. Bij processen voor halfgeleiders, en dan met name coatingprocessen zoals laagsedimentatie, mag er nooit sprake zijn van turbulente flow. Daar is een stabiel proces namelijk cruciaal. Bij andere coatingprocessen, zoals vlamspuittechnieken, heeft turbulentie vanwege de hoge flowdruk minder invloed. Alles is afhankelijk van het proces en de applicatie.

Heb je hulp nodig hebt bij het installeren van je flowmeter?

Vul het contactformulier in
Verlengd stroompad in de flowmeter
Verlengd stroompad in de flowmeter

Vind je dit interessant?

Wil je maandelijks onze updates ontvangen? Schrijf je dan nu in!
 

Ja, stuur mij de updates!

Bronkhorst NEDERLAND

Lunet 10c
3905 NW Veenendaal
Tel. +31 (0)318 55 12 80
info@bronkhorst.nl

Copyright © 2021 Bronkhorst. All rights reserved.     Sitemap     Disclaimer     Privacy note