19. Механизм и структура турбулентного потока.

Измерения скорости движения частиц жидкости в фиксирован­ных точках турбулентного потока показали, что в каждый момент времени изменяется как ее величина, так и направление. Беспоря­дочный характер движения частиц жидкости — основная особен­ность турбулентности. Но при этом скорость, давление, температура по-прежнему являются непрерывными функциями пространства и времени. Несмотря на беспорядочность в изменениях скорости, всегда имеется основное на­правление движения, ка­ким является течение вдоль оси трубы.

Скорость, измеренную в данный момент времени, называют мгновенной. Мгновенную скорость можно разложить на три составляющие: осевую и поперечные- в плоскости живого сечения потока.

На рисунке показаны типичные графики изменения мгновенных скоростей во времени по каждому из направлений. Как видно из графиков, несмотря на кажущуюся беспорядочность изменений скорости, осредненное ее значение за достаточно большой промежуток времени остается все же постоянным. Поэтому при изучении турбулентных потоков вводятся в Продолжение 19 рассмотрение осредненные значения – притом не только скоростей, но также давления, плотности, температуры и т.д.

Отклонение мгновенной скорости от осредненной называют пульсацией скорости, которая определяется как разность

Среднее значение скорости:

Поперечные осредненные скорости равны 0

По этой схеме: у стенок образуется весьма тонкий слой жидкости, называемый ламинарным подслоем, в котором движение жидкости происходит по законам ламинарного режима; основная центральная часть потока (ядро), отделенная от этого подслоя переходной зоной, движется турбулентно с почти одинаковой для всех частиц жидкости осредненной скоростью.

Характеристики турбулентного движения могут меняться в зависимости не только от расхода жидкости, диаметра труб и вязкости жидкости, но также в зависимости от состояния внутренней поверхности трубы.

20. Влияние твердых границ потока на его формирование. Шероховатость стенок.

У стенок, ограничивающих поток, имеют место особые условия движения жидкости. Наличие твердых границ делает здесь невозможным пе­ремещение частиц в направлении нормальном к стенкам, поэтому частицы жидкости движутся здесь приблизительно параллельно стенкам. Сказанное позволяет предложить схему движения пото­ка жидкости, обычно принимаемую за основную при исследовании турбулентного режима. По этой схеме (см. вниз) у стенок образу­ется весьма тонкий слой жидкости, называемый ламинарным под­слоем (вязкий подслой), в котором движение жидкости происходит по законам ламинарного режима; основная централь­ная часть потока (ядро), отделенная от этого подслоя переходной зоной, движется турбулентно с почти одинаковой для всех частиц жидкости осредненной скоростью.

Наличие вязкого (ламинарного) подслоя доказано эксперимен­тально в результате тщательных измерений. Толщина этого подслоя весьма мала и зависит от числа Рейнольдса, оказываясь тем меньше, чем больше это число; обычно эта толщина обозначается через δ и δ~d/Re^7/8. Многочисленные опыты, подтверждающие правиль­ность этой схемы, показывают, что характеристики

Продолжение 20.турбулентного движения (распределение скорости в живом сечении, потери напора и т.д.) могут меняться в зависимости не только от расхода (или иначе — скоростей течения) жидкости, диаметра труб и вязкости жидкости (как это имеет место при ламинарном движении), но также в зависи­мости от состояния внутренней поверхности трубы. Этот параметр турбулентного движения называется шероховатостью стенок.

Шероховатость зависит от величины и формы различных, порой весьма незначительных по размерам, выступов и неровностей, име­ющихся на стенках, косвенным образом, от материала стенок и их обработки. Обычно с течением времени шероховатость изменяется также от появления ржавчины, коррозии, отложения осадков и т.д.

Различают равномерную шероховатость и так называемую тех­ническую шероховатость. Равномерная шероховатость (а) создается искусственно при лабораторных исследованиях ее влияния на гидравлические характеристики потока. Техническая шерохова­тость представляет собой неровности неправильной формы и разме­ров на стенках трубопроводов (,б,в).

В качестве основной характеристики шероховатости служит так называемая абсолютная шероховатость, обозначаемая обычно буквой к, представляемая как средняя высота указанных выступов и неровностей. Пусть (6) величина высту пов шероховатости

Продолжение 20меньше, чем толщина вязкого (ламинарного подслоя(к < δ ). Тогда неровности стенки полностью погружены в этом слое, турбулентная часть потока не будет входить в непосредственное соприкосновение со стенками и движение жидкости, а, следовательно, и потери энер­гии не будет зависеть от шероховатости стенок и будут обусловли­ваться лишь свойствами самой жидкости. Если же (в) величина выступов такова, что они превышают толщину вязкого подслоя (к > δ), неровности стенок будут выступать в турбулентную область, увеличивать беспорядочность движения и существенным образом влиять на величину потерь энергии. В соответствии со ска­занным в гидравлике различают поверхности гидравлически гладкие (к < δ) и шероховатые (к > δ); конечно, такое деление является ус­ловным. На самом деле, как уже указывалось, толщина вязкого под­слоя непостоянна и уменьшается с увеличением числа Рейнольдса. У гидравлически гладких стенок с возрастанием числа Рейнольдса так­же начинает проявляться шероховатость, так как вязкий подслой становится тоньше и выступы шероховатости, которые первоначаль­но полностью располагались в этом слое, начинают выходить из него, выступая в турбулентную зону. Следовательно, одна и та же стенка в зависимости от величины числа Рейнольдса может вести себя по-раз­ному: в одном случае, как гладкая, а в другом, как шероховатая. Аб­солютная шероховатость не может полностью Продолжение 20характеризовать влияние стенок на движение жидкости, поскольку стенки с одной и той же абсолютной шероховатостью в потоках небольших попереч­ных размеров должны вносить большие возмущения в поток жидко­сти и оказывать большее сопротивление движению, чем в потоках большего сечения. Поэтому (а также исходя из условий соблюдения подобия) в гидравлике вводится понятие относительной шерохова­тости ε, под которой понимают отношение абсолютной шерохова­тости к некоторому линейному размеру, характеризующему сечение потока (например, к радиусу или диаметру трубы, или к глубине жидкости в безнапорных потоках), таким образом, при напорном движении относительную шероховатость можно представить, на­пример, в виде

Отметим, что величина ε — безразмерная.