科瑞详解制药用水系统的"湍流状态"

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科瑞详解制药用水系统的"湍流状态"

制药用水是流体的一种类型，它具有流体的普遍特性。流体在管道中流动时，每单位时间内流经任一截面的体积称为体积流量。而管道内部流体的速度是指流体每单位时间内所流经的距离。制药用水管道内部的输送速度与系统中水的流体动力特性有密切的关系。因此，针对制药用水的特殊性，利用水的流体动力特性，恰当地选取分配输送管道内水流速度，对于工艺用水系统的设计至关重要。
制药用水系统管道内的水力计算与普通给水管道内水力计算的主要区别在于：制药用水系统的水力计算应仔细地考虑微生物控制对水系统中的流体动力特性的特殊要求。具体就是在制药用水系统中越来越多地采用各种消毒、灭菌设施；并且将传统的单向直流给水系统改变为串联循环方式。
这些区别给制药用水系统流体动力条件的设计与安装带来了一系列意义深刻的变化：例如，为控制管道系统内微生物的滋留，减少微生物膜生长的可能性等。
为此，美国药典对制药用水系统中的水流状态提出了明确的要求，希望工艺用水处于“湍流状态”下流动。这就需要通过对流体动力学特性的了解，来理解美国药典要求使用“湍流状态”概念的特殊意义。
通常，流体的速度在管道内部横断面的各个具体点上是不一样的。流体在管道内部中心处，流速最大；愈靠近管道的管壁，流速愈小；而在紧靠管壁处，由于流体质点附着于管道的内壁上，其流速等于零。工业上流体管道内部的流动速度，可供参考的有以下的经验数值：
(1) 普通液体在管道内部流动时大都选用小于3 m/s的流速，对于粘性液体选用0.5~1.0 m/s，在一般情况可选取的流速为1.5~3 m/s；
(2) 低压工业气体的流速一般为8~15m/s，较高压力的工业气体则为15~25 m/s，饱和蒸汽的流速可选择20~30 m/s，而过热蒸汽的流速可选择为30~50 m/s。
流体运动的类型可从雷诺实验中观察到。雷诺根据以不同流体和不同管径获得的实验结果，证明了支配流体流动形式的因素，除流体的流速q外，尚有流体流过导管直径d、流体的密度ρ和流体的黏度ц。流体流动的类型由dqρ/ц所决定。此数值称为雷诺准数，以Re表示。根据雷诺实验，可将流体在管道内的流动状态分为平行流(滞流) 和湍流两种情况.
应注意，雷诺准数为一个纯粹数值，没有单位，因而是无因次数。在计算之中，只要采用的单位一致，对于任何单位都可得到同样的数值。例如在米·千克—秒制中雷诺准数的单位为： dqρ/ц=(m) (m/s) (kg·s2/ m4) /( kg·s / m2)=(m)0(kg)0(s0)式中所有单位全可消去，所剩下的为决定流体流动类型的数值。而采用尺-磅-秒英制时也能得到同样的结果。雷诺实验表明，当Re数值小于2300时，流体为滞流状态流动。Re数值若大于2300，流体流动的状态则开始转变为湍流。但应注意，由于物质的惯性存在，从滞流状转变为湍流状态并不是突然的，而是会经过一个过渡阶段，通常将这个过渡阶段称之为过渡流，其Re数值由2300到4000左右，有时可延到10000以上。因而只有当Re等于或大于10000时，才能得到稳定的湍流。
由滞流变为湍流的状况称为临界状况，一般都以2300为Re的临界值。须注意，这个临界值系与许多条件有关，特别是流体的进入情况，管壁的粗糙度等。
由此可见，在制药用水系统中，如果只讲管道内部水的流动，尚不足以强调构成控制微生物污染的必要条件，只有当水流过程的雷诺数Re达到10000，真正形成了稳定的湍流时，才能够有效地造成不利于微生物生长的水流环境条件。由于微生物的分子量要比水分子量大得多，即使管壁处的流速为零，如果已经形成了稳定的湍流，水中的微生物便处在无法滞留的环境条件中。相反，如果在制药用水系统的设计和安装过程中，没有对水系统的设计及建造细节加以特别的关注，就会造成流速过低、管壁粗糙、管路上存在死水管段的结果，或者选用了结构不利于控制微生物的阀门等等，微生物就完全有可能依赖于由此造成的客观条件，在工艺用水系统管道的内壁上积累生成微生物膜，从而对制药用水系统造成微生物污染。
(1) 滞流
流体在管道内部流动时，其每个流体质点稳定地沿着与管轴中心平行的方向有条不紊的流动。此种流动称为平行流动(层流) 或粘滞流动，简称滞流。流体处于滞流状态下时，流速沿导管直径依抛物线的规律分布。此时管道中心的速度最大，沿曲线渐近管壁，则速度渐小至等于零，其平均速度为管中心速度之一半。
(2) 湍流
流体在管道内部流动时，流体质点不按同一方向移动，而是作不规则的曲线运动，各质点的运动速度在大小和方向上都随时间发生变化，流体质点间的运动迹线极其紊乱而流线很易改变的流动称为紊流或湍状流动，简称湍流。当流体处于湍流状态时，曲线形状与抛物线相似，但顶端稍宽。由于在湍流中流体质点的相互撞碰，其流速在大小和方向上均时有变化，并趋向于一个平均值。因此，湍流的状态愈明显，其曲线的顶端愈平坦，当处于十分稳定的湍流状态时，其平均速度为管中心最大速度的0.8~0.9倍左右。
按照上述对流速在管道内部分布的描述可知，即使流体确为湍流，其接近管壁处仍可能存在一层滞流的边界层。这个边界层实际上包括真正的滞流层与过渡层。在真正的滞流层中，流体速度近似地成直线下降，到管壁处速度趋于零。过渡层则介乎真正滞流层与流体主体之间。边界层的厚度为Re数的函数。
因此，在流体流动中并不存在单纯的湍流，也没有纯粹的滞流。实际上，在湍流中同时有滞流层存在；而在滞流中也可能有湍流的存在，这是因为部分流体质点在滞流时有变形和旋转的现象。流体边界层的存在，对其传热和扩散过程都会产生很大的影响。
上述流速分布情况系指流体的流动已达稳定状态而言。流体在进入管道后需要流经一定距离，其稳定的状态才能真正形成。对于湍流，实验证明，其流经的直管距离达到40倍管道直径以后，稳定的状态才方可获得。
另外，流速的分布规律只有在等温状态下才是成立的，即要求流体中各点的温度是一致的、恒定不变的。



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