Основные характеристики турбулентного потока

Структура турбулентного потока определяется скоростью его движения, физическими свойствами жидкости, формой и размерами ограничивающих поток стенок канала и др.

Отдельные элементы турбулентного потока – вихри – совершают хаотические неустановившиеся движения. Вихрь – это группа частиц, вращающихся вокруг одной мгновенной оси с одинаковой угловой скоростью. В процессе турбулентного течения вихри непрерывно возникают и распадаются. Глубина их проникновения до разрушения называется масштабом турбулентности. Масштаб турбулентности во многом определяется внешними условиями течения (например, диаметром трубопровода или канала).

Вихри пульсируют относительно их среднего положения в текущей жидкости. Аналогично пульсирует и мгновенная скорость в данной точке потока. Беспорядочное перемещение вихрей приводит к интенсивному перемешиванию жидкости по сечению потока. Пульсации – наиболее характерный признак турбулентности.

Одним из свойств турбулентного потока является турбулентная вязкость; в отличие от молекулярной вязкости она зависит от всех параметров, характеризующих турбулентность, поэтому средняя турбулентная вязкость потока значительно превосходит молекулярную вязкость.

Турбулентный поток условно подразделяют на ядро и пограничный слой, в котором происходит переход турбулентного движения в ламинарное.

Рисунок 3.2 – Модель структуры поперечного сечения турбулентного потока

График профиля скорости (рисунок 3.2) позволяет выявить несколько областей, на которые можно разделить течение в канале:

а) вязкий подслой; изменение средней скорости определяется значением коэффициента молекулярной вязкости практически линейно, как и в ламинарном потоке;

б) переходный слой; вязкие и турбулентные напряжения сравнимы по величине; происходит резкое затухание турбулентности;

в) полностью турбулентный слой; на течение еще влияет эффект стенки, однако турбулентность развита уже в такой степени, что вязкими напряжениями можно пренебречь;

г) турбулентное ядро; поток полностью турбулентен; масштаб турбулентности обусловлен определяющим параметром канала (диаметром трубы).

Эти четыре области можно объединить следующим образом. Области 1 и 2 составляют вязкий слой – область вязкого течения (III), т.е. область, в которой вязкость играет значительную роль в возникновении трения. Области 3 и 4 образуют область полностью турбулентного течения (II). В этой области масштаб турбулентности не зависит от вязкости.

Области 1, 2 и 3 образуют пограничный слой – пристеночную область (I), в которой происходит переход турбулентного движения в ламинарное.