3.4. Степень начальной турбулентности потока

При движении вязкой жидкости возможны два вида течений – ламинарное течение и турбулентное. Ламинарное течение это плавное слоистое течение, когда отдельные струйки жидкости не пересекаются. Турбулентное течение характеризуется интенсивным перемешиванием частиц. Наблюдать такие течения можно в водопроводном кране, когда в системе большой напор воды. Когда кран открыт совсем немного, в вытекающей струйке реализуется плавное слоистое течение – это ламинарное течение. Если кран открывается всё больше и больше, то течение воды в струйке становится бурным, и частицы воды интенсивно перемешиваются. Это турбулентное движение.

При турбулентном движении жидкости кроме сил вязкого трения действуют силы так называемого турбулентного тре­ния, являющиеся следствием переноса количества движения в ре­зультате перемешивания частиц жидкости. Турбу­лентный поток заполнен большим количеством мел­ких вихрей, беспорядочно движущихся во всех на­правлениях. Эти вихри вызывают пульсации скорости.

Величина скорости непрерывно изменяется, колеблется около своего осредненного по времени значения, которое определяется по формуле

.

Осредненное по времени турбулентное движение принято рассматривать как установившееся движение (если не зависит от интервала времени), так как величина пульсации обычно во много раз меньше величины средней скорости.

На рис. 13 показан график изменения с течением времени истинной скорости в некоторой точке турбулентного потока.

Рис. 13. Изменение скорости по времени в одной из точек турбулентного потока

Ве­личину пульсации скорости в данный момент времени находят так:

,

а ее средняя величина за время , очевидно, равна ну­лю. Поэтому за меру величины пульсации скорости прини­мают ее среднеквадратичное значение, которое можно вычислить по формуле

.

Степенью турбулентности в данной точке потока назы­вают отношение средней квадратичной пульсационной скорости к средней скорости потока :

.

Если есть подобие по силам турбулентного трения в опыте и натуре, то, как показывают исследования, безразмерное число, называе­мое степенью турбулентности потока , подсчитанное для любых двух сходственных точек, будет иметь одно и то же значение:

.

Следовательно, необходимым условием подобия по турбу-лентности потока является равенство чисел , подсчитанных по параметрам, определяющим данное явление:

. (3.14¹)

Число – критерий подобия по турбулентности потока. Величина обычно измеряется в процентах. Данный критерий подобия имеет большое значение при изучении сил трения и исследовании отрывных течений. Возрастание степени начальной турбулентности потока приводит к значительному увеличению сил трения, поэтому эксперименты по определению этих сил следует выполнять в специальных ламинарных аэродинамических трубах. Кроме того, увеличение числа ослабляет устойчивость потока и ламинарное течение переходит в турбулентное при меньших числах Рейнольдса, т. е. уменьшается критическое число Рейнольдса (рис.14).

Д

Рис. 14. Зависимость степени начальной турбулентности от

ля измерения степени начальной турбулентности потока в аэродинамической трубе можно с помощью безынерционного электрического термоанемометра построить график скорости от времени, аналогичный изображённому на рис. 13, и по формуле 3.14¹ вычислить число .

Более простой способ заключается в том, что число находят по известному графику (см. рис.14), для построения которого использовали результаты экспериментов по определению зависимости для шара, проведенных в различных трубах с известной турбулентностью потока. (Результаты этих экспериментов показаны на рис. 8, 9). Из полученных зависимостей для каждого значения была определена величина и построен график .