Турбулентные пульсации

Переход от ламинарного к развитому турбулентному течению характеризуется перемежающейся структурой по­тока с появлением вихревых образований, опреде­ляющих нестационарность движущейся среды. Ре­зультатом хаотического движения молей, участвующих в турбулентном переме­шивании, являются пульсации их скорости. Пульсационное движение молей, в свою очередь, является источником пульсации давления, температуры, плотности. Мерой ин­тенсивности пульсации служит степень турбулент­ности потока. Для случая изотропной турбулентно­сти, когда во всех направлениях пульсации скоро­сти одинаковы, степень турбулентности

(7.3)

где среднее квадратичное значение пульсации продольной составляющей скорости среднее значение скорости турбулентного потока.

В общем случае при наличии всех компонент пульсационной составляющей скорости внешне­го потока степень его турбулентности характеризу­ется числом Кармана:

(7.4)

Диапазон существования переходного режима по числу Re при обтекании пластины ( ) показан на рис.7.2.

Значения чисел зависят от формы и размеров каналов, степени шероховатости их стенок, а также ряда случайных возмущающих факторов. Сжимаемость рабочей среды при числе Маха оказывает слабое воздействие на механизмы турбулизации течения. Поскольку диа­пазон по числу Re переходной формы режима (пере­межающееся течение) мал, зачастую при решении практических задач принимают, что ламинарный ре­жим течения сразу переходит в турбулентный. При этом используется закон Рейнольдса о подобии режимов течения. Течения при Re< ламинарны и по­добны между собой, а при Re> - турбулентны и также подобны между собой.

Рис.7.2. Влияние степени турбулентности внешнего потока

на значение числа Re_кр для пограничного слоя на пластине

Переход к турбулентному режиму течения со­провождается активным переносом поперек слоев всех субстанций, а именно: веществ (диффузия), те­плоты (теплопроводность) и количества движения (трение). Такой перенос называют турбулентным в отличие от молекулярного при ламинарном режи­ме течения. Перенос массы вихрей различных раз­меров и форм приводит к появлению добавочных сил, условно называемыми силами турбулентного трения, которые по значению много больше сил трения при ламинарном режиме. В результате хао­тического перемешивания молей в потоке появля­ются пульсации скорости, определяющие увеличе­ние вязкости рабочей среды. На основе такой моде­ли процессов разработаны приближенные (полуэм­пирические) методы описания турбулентности, на­зывающиеся именами их авторов (Сен-Венана, Буссинеска, Тейлора, Кармана, Прандтля) и представ­ляющие сегодня форму гипотез.