Турбулентный перенос теплоты и количества движения

Турбулентное течение существенно отличается от ламинарного. На рисунке покажем осциллограммы колебаний скорости в определенной неподвижной точке турбулентного потока, имеющего неизменную среднюю скорость.

Скорость пульсирует около некоторого среднего во времени значения. Причем изменяется не только абсолютная величина w (которая показана на рисунке), но и направление мгновенной скорости. Отключение мгновенной скорости w от средней во времени  называется пульсациями скорости или пульсационными скоростями w ¢. При этом:

Таким образом, турбулентное движение состоит как бы из регулярного течения, которое описывается осредненными скоростями, и из наложенного на него хаотического пульсационного течения.

При пульсациях скорости происходит перенос механической энергии. Если в потоке имеет место разность температур, то пульсация скорости приводят и к переносу теплоты, вследствие чего возникают пульсации температуры. Температура в определенной точке турбулентного потока колеблется около некоторого среднего во времени значения . Пульсация температуры связана Т ¢ связана с Т и  уравнением:

 

Таким образом, турбулентное течение, строго говоря, является нестационарным процессом. Однако если  и  не изменяются, то движение

и связанный с ним перенос теплоты можно рассмотрим как стационарные (квазистационарные) процессы. При этом интервал времени осреднения должен быть достаточно большим по сравнению с периодом пульсации. В общем случае пульсации скорости и температуры приводят к пульсациям давления и физических свойств.

В виду математических сложностей в достаточно строгой постановке вопросы теплообмена при турбулентном течении не решены. При рассмотрении этих процессов используют понятие: степень турбулентности – отношение средней квадратичной пульсации составляющих вектора скорости в данной точке турбулентного потока к определенному значению скорости в той же точке:

,

где v_х¢ и v_у¢ - пульсации составляющих вектора скорости; v - осредоточенное значение скорости в точке.

Степень турбулентности влияет на интенсивность переноса количества движения и теплоты в турбулентном потоке.

На процессы переноса в турбулентном потоке оказывают влияние массы жидкости, движущиеся как единое целое, или пространственная структура турбулентности.

Представление о средних размерах турбулентных образований (масс жидкости, движущихся как единое целое) может дать величина, которая называется масштабом турбулентности.

Количество движения, относительно оси ОХ, переносимое в направлении О Y за единицу времени через единицу поверхности:

S_т = r ²(dv _x /dy)²,

где  – масштаб турбулентности.

То есть – характеризует геометрическую структуру потока.

 

При турбулентном движении – неупорядоченно, хаотично изменяется  направление и величина скорости отдельных частиц. Эти режимы течения наблюдаются и в пограничном слое. В дальнейшем мы убедимся, что теплоотдача существенно зависит от режима течения.