ТУРБУЛЕНТНОЕ ТЕЧЕНИЕ ЖИДКОСТИ

Турбулентным (от латинского слова turbulentus - бурный, беспорядочный) течением жидкости называется такое течение, в котором частицы жидкости совершают неупорядоченные, хаотические движения по сложным траекториям, а скорость, температура и давление в жидкости испытывают хаотические колебания. Турбулентные течения отличаются от ламинарных (струйных) течений интенсивным перемешиванием, теплообменом и увеличением коэффициента гидравлического сопротивления. В природе и технике большинство течений жидкости и газов являются турбулентными.

Турбулентные течения возникают не только в трубах и каналах, ограниченных жесткими стенками, хорошо известны также свободная атмосферическая турбулентность, турбулентность океанических течений, а также турбулентная конвекция, возникающая в жидкостях и газах под действием неравномерного нагрева.

Основной причиной возникновения турбулентности является потеря гидродинамической устойчивости. При определенных условиях малейшие возмущения, вносимые в ламинарный поток жидкости, не затухают, а, наоборот, начинают бурно развиваться и, в конце концов, приводят к тому, что ламинарное струйное течение перемешивается и сменяется турбулентным течением. Опыты Рейнольдса (см. п.3 гл. 3) по изучению ламинарного течения жидкости в круглых трубах показывают, как при увеличении расхода жидкости первоначально устойчивое ламинарное течение делается неустойчивым: сначала в нем возникают небольшие колебания, затем эти колебания развиваются и вскоре все течение становится турбулентным. На рис. 8.1 приведена фотография турбулентного течения в трубе специальной контрастной жидкости, позволяющей визуализировать структуру течения.

Рис.8.1. Турбулентное течение жидкости в трубе [ ].

В трубной гидравлике наиболее важно то проявление турбулентности, которое сказывается на гидравлическом сопротивлении потока. При турбулентном течении жидкости в круглой трубе качественно изменяется распределение скорости по сечению. Если в ламинарном режиме оно имеет параболический характер, то в турбулентном – профиль скоростей становится более плоским, характеризующийся резким уменьшением скорости течения до полного торможения вблизи стенок (рис. 8.2).

Рис. 8.2. Распределение скорости течения жидкости в трубе:

а) ламинарный режим; б) турбулентный режим

Правда, в случае турбулентного режима речь идет не о мгновенных значениях скорости в данной точке (само течение пульсирует, так что его скорость постоянно меняет величину и направление), а об осредненным по времени значении скорости в данной точке сечения.