ПОИСК Статьи Чертежи Таблицы Некоторые сведения о внутренней структуре турбулентных потоков из "Механика жидкости и газа " До сих пор рассматривалось лишь осредненное турбулентное движение, а нерегулярная часть движения — пульсации — учитывались суммарными характеристиками интенсивностью турбулентности и напряжением турбулентного трения, причем почти ничего не говорилось о закономерностях изменения этих величин по сечениям трубы или пограничного слоя. В заключение настоящей главы осветим, хотя и в краткой форме, некоторые, наиболее важные представления о внутренней структуре турбулентных потоков. [c.626] В настоящее время литература, специально посвященная исследованиям турбулентности потоков, весьма обширна, имеются и подробные обзоры ). Особое значение придается экспериментальным работам, ставящим себе целью изучение тонкой структуры турбулентных процессов. [c.626] В настоящее время уже не подлежит сомнению факт образования в турбулентных потоках отдельных жидких объемов, размеры которых сравнимы с внешним масштабом потока (радиус трубы, толщина пограничного слоя и т. п. ). Эти объемы имеют самостоятельность как в своем движении по отношению к общему осредненному потоку, так и по внутренней своей структуре ). Их принято называть крупными вихрями, хотя следует отметить, что термин вихрь в этом случае необходимо понимать не в его обычном смысле, а скорее как жидкий ком вихревого происхождения. Масштаб этих крупных вихрей, совпадающий с внешним масштабом потока в целом, называют большим масштабом турбулентности. [c.626] В процессе турбулентной диффузии происходит распад этих крупных вихрей на более мелкие, в которых еще инерционные явления преобладают над вязкими. Такие находящиеся, как говорят, в инерционном интервале масштабов вихри участвуют в конвекции и турбулентной диффузии, но в пренебрежимо малой степени подвержены действию вязкости. Общий процесс дальнейшей деградации вихрей приводит их в конечном счете к мелким вихрям с малым масштабом, на которые уже действует вязкая диффузия и последующая вязкая диссипация кинетической энергии в тепло. Такая каскадная схема ), конечно, несколько грубо передает действительные процессы, происходящие в турбулентных потоках, но правильно описывает общие тенденции. [c.626] Кинетическая энергия крупных вихрей имеет порядок удельной энергии местного осредненного движения, затем она уменьшается с уменьшением масштаба и становится пренебрежимо малой у мелких вихрей. [c.627] Изложенное структурное деление турбулентного потока имеет не только качественное, но и количественное значение, так как существующие в структурных описаниях турбулентности закономерности включают в себя, как правило, эти основные три масштаба турбулентности . [c.627] Количественное определение масштаба турбулентности тесно связано со статистической связанностью пульсаций скоростей в исследуемой области возмущенного потока. Мерой этой связи служит коэффициент корреляции между пульсациями скоростей в точках жидкого объема, несущих в себе следы того первоначального вихревого возмущения, которое постепенно переносится от объемов одного масштаба к другим, более мелким масштабам. Определив пространственное распределение коэффициента корреляции, мы тем самым сможем оценить пространственную структуру турбулентных возмущений и найти на каждом этапе разрушения вихря его масштаб. [c.627] Современная измерительная техника указывает разнообразные пути изучения внутренней структуры турбулентных течений. Сюда входит прежде всего непосредственная фотокиносъемка сделанных видимыми при помощи твердых примесей или газовых пузырьков водяных потоков ), позволяющая получи ь картину линий тока, измерить среднюю интенсивность пульсаций скорости и другие статистические характеристики, в том числе коэффициент корреляции и масштаб. [c.627] В воздушных потоках с успехом используется метод тепловой анемометрии, основанный на эффекте охлаждения потоком тонкой короткой платиновой нити, разогреваемой электрическим током. В равновесном состоянии по электрическому сопротивлению нити можно судить об осреднен-ной скорости потока. По отклонениям от равновесия в компенсационной схеме (колебания шлейфа осциллографа, помещенного в нулевую ветвь моста) можно судить об интенсивности пульсаций скорости в потоке и записать эти пульсации в некотором масштабе ). [c.627] Эти величины, отнесенные к местной или общей осредненной скорости, определяют первые статистические характеристики турбулентного потока — интенсивности турбулентности в разных направлениях. [c.628] Если между величинами ф и ф нет статистической связи, то числитель, равный среднему интегральному за достаточно большой промежуток времени произведения этих величин, будет равен нулю. Если, наоборот, пульсирующие величины ф и ф полностью связаны, то коэффициент корреляции, благодаря принятому способу нормирования (197), будет в зависимости от соотношения фаз равен 1. Промежуточным степеням статистической связанности пульсаций будут соответствовать абсолютные значения коэффициента корреляции, лежащие между нулем и единицей. Коэффициент корреляции является основной количественной мерой статистической связи между двумя, заключающими в себе элемент случайности пульсирующими величинами. [c.629] Обращает на себя внимание, во-первых, наличие максимумов интенсивности пульсаций и затем быстрое спадание интенсивностей при приближении к границе струи, а, во-вторых, отличие понятия границы струи , как точки данного сечения, в которой избыточная скорость равна нулю (цх/а = 2,2), и такой воображаемой точки, где все возмущения, производимые струей в окружающем ее спутном потоке, равнялись бы нулю. [c.631] Опуская графики спектров частот и коэффициентов корреляций — они имеются в большом количестве в цитированной книге Ш. Конт-Белло, — покажем лишь один общий график (рис. 252) (экспериментальные точки опущены их разброс сравнительно с другими графиками значителен) распределений продольного а, И двух попербчных Ly и масштабов турбулентности по сечению трубы а /П =118 при рейнольдсовом числе Re = 120 000. Продольный масштаб значительно превосходит по величине оба поперечных. [c.632] Для масштабов L и Ly характерно наличие максимумов примерно на 30 %полурасстояния между стенками трубы П, считая от стенки трубы. [c.632] Исследования турбулентности в области пограничного слоя также мно-гочис.ленны. Изучены как распределения интенсивностей, так и корреляции, масштабов и частотных спектров. [c.632] Возрастание интенсивности турбулентности в данном сечении слоя при приближении к стенке объясняется влиянием двух факторов увеличения при приближении к стенке абсолютной среднеквадратичной пульсации скорости и , подобного показанному на рис. [c.633] Частотные (спектральные) характеристики турбулентного пограничного слоя показывают, что внутри слоя преимущественное значение имеют колебания частоты, низкой по сравнению с частотами колебаний вне пограничного слоя. Так, в пограничном слое на пластине в сечении, соответствующем числу Рейнольдса Re = 650 000, преимущественное значение имеют частоты до 40—50 Гц, при Rbx = 1 600 000— до 20 Гц, а вне пограничного слоя — порядка 100 Гц. Доля высоких частот (порядка 1000 Гц) совершенно невелика. Понижение частот при переходе к большим Re говорит о возрастании масштаба турбулентности с увеличением толщины пограничного слоя. [c.633] Вернуться к основной статье