Особенности течения при турбулентном режиме

 

Для турбулентного движения характерно перемешивание жидкости, пульсации скоростей и давлений в процессе течения.

Траектории частиц, проходящих через данную неподвижную точку пространства в разные моменты времени, представляют собой кривые линии различной формы несмотря на прямолинейность трубы. Характер линий тока в трубе в данный момент времени также отличается большим разнообразием.

Таким образом, строго говоря, турбулентное течение является неустановившимся течением, т.к. величины скоростей и давлений, а также траектории частиц меняются по времени. Однако его можно рассматривать как установившееся при условии, что осредненные по времени значения давлений и скоростей, а также величина полного расхода потока не меняются с течением времени. Такое течение встречается довольно часто.

Ввиду того, что при турбулентном течении отсутствует слоистость потока и происходит перемешивание жидкости, закон Ньютона в этом случае неприменим. Благодаря перемешиванию жидкости и непрерывному переносу количества движения в поперечном направлении, касательное напряжение на стенке трубы в турбулентном потоке значительно больше, чем в ламинарном.

Если с помощью особо чувствительного прибора-самописца измерить и записать пульсации скорости по времени, то получим следующую картину (рис. 34).

Величина скорости беспорядочно колеблется около некоторого осредненного по времени значения, которое в данном случае остается постоянным. Эта величина называется местной осредненной скоростью, которую можно определить по следующей зависимости:

Рисунок 34 - Пульсации при турбулентном режиме

Если измерить мгновенные скорости с помощью специальных приборов и вычислить осредненную местную скорость, то можно убедиться, что осредненная местная скорость является практически постоянной и направленной вдоль потока. Поэтому потоки находящиеся в турбулентном режиме движения, можно рассматривать условно параллельно-струйными и применять к ним уравнение Бернулли. По полуэмпирической теории турбулентности Прандтля распределение скоростей выражаются зависимостью:

,

где: Vд - динамическая скорость, равная ;

х - универсальная постоянная Прандтля (х=0,4).

Распределение скоростей может быть выражено приближенной степенной формулой Альтшуля-Калицуна

.

При турбулентном режиме непосредственно на стенке трубы обычно имеется ламинарный слой. Это весьма тонкий слой жидкости, движение в котором является наиболее замедленным, слоистым и без перемешивания, т.е. ламинарным. Непосредственно за ламинарным слоем располагается тонкий слой жидкости, который представляет переходную зону от ламинарного к турбулентному режиму.

За переходной зоной лежит турбулентное ядро, в котором частицы перемещаются по сложным траекториям, вихреобразно (рис 35).

Рисунок 35 - Структура потока при турбулентном режиме

 

В пределах ламинарного слоя скорость круто нарастает от нуля на стенке до некоторой конечной величины на границе слоя. Этот участокназывается пограничным ламинарным слоем. Толщина ламинарного слоя 5 может быть выражена следующей зависимостью:

.

Интересно отметить, что число Рейнольдса, подсчитанное по толщине ламинарного слоя, скорости \л есть величина постоянная подобно критическому числу Рейнольдса: .