Турбулентный режим

Перечислим основные особенности турбулентных потоков.

1. По характеру движения частицы жидкости в турбулентном потоке ведут себя примерно так, как молекулы в представлении кинетической теории газов: они находятся в состоянии беспорядочного хаотического движения. В случае, например, трубопроводов с этим связано существенное возрастание потерь энергии при движении жидкости по сравнению с ламинарным потоком.

2. В турбулентном режиме происходит выравнивание эпюры распределения скоростей по сечению потока.

3. С турбулентным движением связано усиление теплопередачи внутри жидкости.

4. Перемешивание определяется наличием в турбулентном потоке перпендикулярных основному направлению движения жидкости составляющих скоростей.

5. Перемешивание в  турбулентно движущейся жидкости приводит к взвешиванию находящейся в потоке в дисперсном состоянии фракции другой фазы (твердые, газообразные и т. п.).

6. Турбулентное движение по самой своей сущности является движением неустановившимся; все гидравлические характеристики и, в частности, скорости в каждой точке занятого турбулентным потоком пространства изменяются с течением времени.

Таким образом, турбулентное движение можно определить как движение жидкости с пульсацией скоростей, приводящей  к перемешиванию жидкости.

На основании опыта установлено следующее. Когда в трубопроводе создаются условия для перехода из ламинарного режима движения в турбулентный, по периферии потока ламинарный слой нарушается и дальше по течению развивается турбулентный пограничный слой. Толщина этого слоя из-за турбулентного перемешивания достаточно быстро увеличивается, и турбулентный поток заполняет всё сечение трубопровода.  Участок, на котором происходит превращение ламинарного режима движения в турбулентный, называется разгонным участком. Его длина l_разг по экспериментальным данным равна:

l_разг  (4050)d. 

Р ассмотрим структуру турбулентного потока. Отличительной особенностью турбулентного движения жидкости является хаотическое движение частиц в потоке. Однако при этом часто можно наблюдать и некоторую закономерность в таком движении. Экспериментальная кривая изменение скорости в точке потока приведена на рисунке. Если выбрать интервал времени достаточной продолжительности, то окажется, что колебания скорости наблюдаются около некоторого уровня и этот уровень сохраняется постоянным при выборе различных интервалов времени. Величина скорости в данной точке в данный момент времени носит название мгновенной скорости. Если выбрать на кривой скоростей некоторый интервал времени и провести интегрирование кривой скоростей, а затем найти среднюю величину, то такая величина носит название осреднённой скорости :

.

Разница между мгновенной и осреднённой скоростью называется скоростью пульсации u':

.

Если величины осреднённых скоростей в различные интервалы времени будут оставаться постоянными, то такое турбулентное движение жидкости будет установившемся.

При неустановившемся турбулентном движении  жидкости величины осреднённых скоростей меняются во времени

Пульсация жидкости является причиной перемешивания жидкости в потоке. Интенсивность перемешивания зависит от числа Рейнольдса, т.е. при сохранении прочих условий от скорости движения жидкости. Таким образом, в конкретном потоке жидкости (вязкость жидкости и размеры сечения определены первичными условиями) характер её движения зависит от скорости. Для турбулентного потока это имеет решающее значение. Так в периферийных слоях жидкости скорости всегда будут минимальными, и режим движения в этих слоях б удет  ламинарным.  Увеличение  скорости до  критического  значения приведёт к смене режима движения жидкости с ламинарного режима на турбулентный режим. Т.е. в реальном потоке присутствуют оба режима как ламинарный, так и турбулентный.

Таким образом, поток жидкости состоит из ламинарной зоны (у стенки канала) и турбулентного ядра течения (в центре) и, поскольку скорость к центру турбулентного потока нарастает интенсивно, то толщина периферийного ламинарного слоя чаще всего незначительна, и сам слой называется ламинарной плёнкой (ламинарным подслоем), толщина которой _л зависит от скорости движения жидкости.

Касательные напряжения в турбулентном потоке. В турбулентном потоке величина касательных напряжений должна быть больше, чем в ламинарном, т.к. к касательным напряжениям, определяемым при движении вязкой жидкости вдоль трубы следует добавить дополнительные касательные напряжения, вызываемые перемешиванием жидкости.

Теоретически полное касательное напряжение равно:

,

где l – параметр, имеющий размерность длины, названный длиной пути перемешивания. Параметр l характеризует расстояние перемещения жидких частиц, вызванное турбулентным перемешиванием. Его величина определяется на основе экспериментов. Первое слагаемое в правой части равенства мало по сравнению со вторым и его величиной можно пренебречь

Распределение скоростей по сечению турбулентного потока. Эксперименты показали, что эпюра осреднённых скоростей в турбулентном потоке в значительной степени сглажена и практически скорости в разных точках живого   сечения равны средней скорости. Сопоставляя эпюры скоростей турбулентного потока (эпюра 1) и ламинарного потока позволяют сделать вывод о практически равномерном распределении скоростей в живом сечении. Работами Прандтля было установлено, что закон изменения касательных напряжений по сечению потока близок к логарифмическому закону:

,

где  - эмпирический коэффициент, С – константа интегрирования, определяемая из условия u = u_max на оси трубы.