Турубулентність потоку рідини

При аналізі напірного переміщення рідини розрізняють два режими її руху [20]: ламінарний, що характеризується шаруватою структурою потоку і параболічною формою епюри швидкостей (рис. 1.41, а), і турбулентний – пов'язаний з хаотичним неврегульованим рухом частинок рідини, при якому спостерігається деяке викривлення епюри швидкостей (рис. 1.41, б).

Для оцінки режиму руху рідини в гідродинаміці використовують безрозмірний критерій (число) Рейнольдса [20]:

,

(1.72)

де − швидкість потоку; − діаметр трубопроводу; − кінематичний коефіцієнт в'язкості.

У разі, коли сили в'язкого тертя переважають над силами інерції, має місце ламінарний режим течії, інакше – спостерігається турбулентний режим течії. При досягненні числом Рейнольдса критичного значення ламінарний режим змінюється турбулентним ( ).

− середня швидкість потоку; − відношення радіуса труби до відстані від її осі; − відношення швидкості потоку на певній відстані від осі труби до швидкості на осі труби

Рисунок 1.41 – Епюри швидкостей у ламінарному а) і турбулентному б) потоках

Різний характер руху рідини приводить до різних залежностей зміни гідравлічного опору і, як наслідок, втрат тиску (енергії). Втрати тиску в ламінарному потоці пропорційні першому ступеню середньої швидкості, а в турбулентному – показнику ступеня швидкості 1,75–2. При турбулентному режимі відбуваються пульсації швидкості і тиску в потоці рідини (рис. 1.42). У зв'язку з істотною відмінністю величини втрат тиску встановлення й аналіз характеру руху рідини є важливим завданням при проведенні гідравлічних розрахунків [20, 23].

Турбулізація потоку рідини в трубі зумовлена багатьма чинниками. Спираючись на літературні [20–27, 38–40] і розрахункові (статистичні) дані, можна зробити висновок, чинниками, з яких спричинюють розвиток турбулентності, є конструктивні параметри трубопроводу і швидкість течії рідини в трубі. Зміна фізичних властивостей рідини чинить менший вплив на турбулізацію потоку, а отже, і на втрати натиску. Крім того, варто зазначити, що властивості рідини змінюються в незначних межах (атмосферний тиск) і, як правило, залежать від погодних умов (наприклад, розрахункова сезонна зміна температури в напірних системах водоподачі 0,2–26 ºС) або технологічного процесу.

– усереднене значення швидкості потоку; – пульсаційна складова швидкості потоку; а) сталий рух; б) несталий рух

Рисунок 1.42 – Характер зміни швидкості потоку в трубі

Турбулентність є основною властивістю рухомої рідини. З точки зору фізики, турбулентність – це тривимірний нестаціонарний рух, у якому внаслідок розширення вихорів створюється безперервний розподіл пульсацій швидкості в інтервалі довжин хвиль від мінімальних, що визначаються в'язкими силами, до максимальних, які визначаються граничними умовами течії.

Основним механізмом генерації енергії турбулентності є утворення вихорів, що є тривимірним процесом, тому всі розвинені турбулентні течії є тривимірними [25]. За допомогою нелінійних взаємодій великі вихрові утворення передають частину своєї енергії меншим, унаслідок чого реалізується каскадний механізм передачі енергії.

Турбулентність виникає мимоволі, коли сусідні ділянки середовища знаходяться поруч або проникають одна в одну, за наявності перепаду тиску або за наявності сили тяжіння, або коли ділянки середовища обтікають непроникні поверхні [26]. Турбулентність також може виникати за наявності випадкової примусової сили. Зазвичай зовнішня випадкова сила і сила тяжіння діють одночасно. Миттєві параметри потоку (швидкість, температура, тиск, концентрація домішок) при цьому хаотично у межах середніх значень. Такий пульсуючий характер основних параметрів турбулентного потоку відзначає ряд авторів, що займаються питаннями гідродинаміки і турбулентного руху рідини: Хінце, Шліхтинг, Лойцянський, Андерсон, Колмогоров, Монін і Яглом. На прикладі швидкості потоку її пульсуючий характер матиме реалізацію, показану на рис. 1.42.