3.12. Некоторые характеристики турбулентного потока

В технологических аппаратах наиболее часто встречается не ламинарный, а турбулентный режим движения жидкости. При после-

днем имеет место выравнивание скоростей в основной массе жидкости, при этом профиль скорости по сечению трубы отличается от параболического – кривая имеет более широкую вершину (см. рис. 3.20 и рис. 3.21). Опытные исследования показывают, что средняя скорость Wср при турбулентном движении не равна половине Wmax (как при лами-

нарном режиме), а значительно больше, причем W_ср/W_max = f(Re). Характер турбулентного движения сложен, поэтому невозможно получить строгое теоретическое выражение профиля скорости. Кроме того, необходимо учесть, что на рис. 3.21 показан профиль не истинных, а осредненных во времени скоростей. Истинная скорость в каждой точке не постоянна во времени, а испытывает флуктуации (нерегулярные пульсации) случайного характера. Изобразим на рис. 3.22 график изменения во времени истинной скорости W_x. Саму истинную скорость изменить практически очень трудно.

Из рис. 3.22 видно, что истинная скорость W_x колеблется около некоторого осредненного во времени значения . Это значение можно определить соотношением , т. е. величина равна высоте прямоугольника, равновеликого площади, заключенной между пульсационной кривой и ocью абсцисс в пределах изменения времени от 0 до некоторого значения τ. Разность между истинной и осредненной скоростями называется мгновеннной пульсационной скоростью : (индекс х опу-скаем). Из рис. 3.22 видно, что величина имеет переменный знак, что и отражено в вышеприведенной формуле. Понятие осредненной скорости не следует отождествлять с понятием средней скорости W_ср. Величина W_ср – это не средняя во времени скорость в данной точке, а скорость, осредненная для всего поперечного сечения трубопровода.

Интенсивность турбулентности выражается отношением Изотропной называется такая турбулентность, при которой средние пульсации скорости одинаковы по воем направлениям.

В гидравлике и гидромеханике важным является понятие масштаба турбулентности. Чем ближе друг к другу находятся две частицы, тем более близки их истинные скорости. Достаточно близко расположенные частицы движутся совместно, и их можно считать принадлежащими к некоторой единой совокупности, которую называют вихрем или "комком" жидкости. Размер таких "комков" носит название масштаба турбулентности. В турбулентном потоке условно различают центральную зону, называемую ядром потока, и гидродинамический пограничный слой вблизи стенки. В ядре движение является развитым турбулентным, а в пограничном слое оно переходит в ламинарное вблизи стенки. Внутри пограничного слоя выделяют вязкий подслой, примыкающий к стенке; в нем силы вязкости преобладают над влиянием турбулентных пульсаций, и движение жидкости является преимущественно ламинарным. Зону между вязким подслоем и ядром потока называют переходной зоной. Толщина вязкого подслоя исчисляется долями миллиметра, но, несмотря на это, оказывает решающее влияние на интенсивность процессов тепло- и массопереноса.