Турбулентные пульсации

Переход от ламинарного к развитому турбулентному течению характеризуется перемежающейся структурой потока с появлением вихревых образований, определяющих нестационарность движущейся среды. Результатом хаотического движения молей, участвующих в турбулентном перемешивании, являются пульсации их скорости. Пульсационное движение молей, в свою очередь, является источником пульсации давления, температуры, плотности. Мерой интенсивности пульсации служит степень турбулентности потока. Для случая изотропной турбулентности, когда во всех направлениях пульсации скорости одинаковы, степень турбулентности

(10.3)

где среднее квадратичное значение пульсации продольной составляющей скорости; среднее значение скорости турбулентного потока.

В общем случае при наличии всех компонент пульсационной составляющей скорости внешнего потока степень его турбулентности характеризуется числом Кармана:

(10.4)

Диапазон существования переходного режима по числу Re при обтекании пластины () показан на рис. 10.2.

Значения чисел зависят от формы и размеров каналов, степени шероховатости их стенок, а также ряда случайных возмущающих факторов. Сжимаемость рабочей среды при числе Маха оказывает слабое воздействие на механизмы турбулизации течения. Поскольку диапазон по числу Re переходной формы режима (перемежающееся течение) мал, зачастую при решении практических задач принимают, что ламинарный режим течения сразу переходит в турбулентный. При этом используется закон Рейнольдса о подобии режимов течения. Течения при Re< ламинарны и подобны между собой, а при Re> – турбулентны и также подобны между собой.

Рис. 10.2. Влияние степени турбулентности внешнего потока

на значение числа Re_кр для пограничного слоя на пластине

Переход к турбулентному режиму течения сопровождается активным переносом поперек слоев всех субстанций, а именно: веществ (диффузия), теплоты (теплопроводность) и количества движения (трение). Такой перенос называют турбулентным в отличие от молекулярного при ламинарном режиме течения. Перенос массы вихрей различных размеров и форм приводит к появлению добавочных сил, условно называемых силами турбулентного трения, которые по значению много больше сил трения при ламинарном режиме. В результате хаотического перемешивания молей в потоке появляются пульсации скорости, определяющие увеличение вязкости рабочей среды. На основе такой модели процессов разработаны приближенные (полуэмпирические) методы описания турбулентности, называющиеся именами их авторов (Сен-Венана, Буссинеска, Тейлора, Кармана, Прандтля) и представляющие сегодня форму гипотез.