ПОИСК Статьи Чертежи Таблицы Механизм турбулентного потока из "Гидравлика " Многочисленные попытки подойти к исследованию турбулентного режима методами математического анализа в течение долгого времени оканчивались неудачей из-за невозможности охватить с помощью стройной законченной теории наблюдаемое при этом многообразие и сложность явлений. В турбулентном потоке каждая отдельно взятая частица жидкости движется по весьма сложной криволинейной траектории, отличной от траекторий соседних с ней частиц, и, как это видно из рассмотренных выше опытов Рейнольдса, перемещается не только в направлении оси потока, как при ламинарном режиме, но и участвует в беспорядочных поперечных движениях. Поэтому, если бы мы хотели проследить за движением такой отдельной частицы и попытались бы найти уравнения, описывающие ее движение, подобная задача оказалась бы практически неразрешимой. [c.114] Современная гидродинамика при изучении турбулентного режима идет по иному пути и использует в основном статистический метод исследования, рассматривающий не истинные, а сглаженные — средние по времени характеристики потока. На основании всестороннего теоретического и экспериментального исследования с помощью этого метода можно не только установить основные качественные закономерности, объясняющие механизм движения, но и получить (что особенно важно для практических целей) определенную их количественную оценку. [c.114] Если из точки О в каждый данный момент времени отложить соответствующий ему вектор мгновенной скорости и провести через концы таких векторов поверхность, можно получить векторную диаграмму скорости — так называемый годограф скорости. [c.115] В зависимости от формы этой поверхности различают однородный (изотропный) турбулентный поток, при котором поверхность шаровая, и неоднородный (анизотропный) поток, когда конец вектора скорости описывает более сложную замкнутую поверхность. [c.115] Любую мгновенную скорость V можно разложить на три составляющие продольную (по оси х) Ьх, направленную параллельно оси потока, и две поперечные, лежащие в плоскости живого сечения потока — горизонтальную составляющую Оу по оси у и вертикальную Уг по оси 2 (рис. 4.15). [c.115] Поскольку мгновенная скорость в данной точке не постоянна, а изменяется во времени, в гидродинамике для удобства исследования потока вводится понятие усредненной скорости — средней скорости в данной точке за достаточно большой промежуток времени. Будем обозначать ее V. Черта над буквой обозначает операцию усреднения. [c.116] Полученная таким образом величина представляет собой продольную составляющую усредненной по времени или средней местной скорости. [c.116] Введем еще одно понятие, которое понадобится в дальнейшем. [c.117] Разность между истинным и усредненным значениями мгновенной местной скорости называют пульсационной составляющей скорости (или просто пульсационной скоростью либо пульсационной добавкой). Ее обычно обозначают той же буквой, что и скорость, но со штрихом — о. [c.117] Сумма пульсационных скоростей в рассматриваемой точке О за время 1, как и среднее значение пульсационной скорости в этой точке, равна нулю. [c.117] Пульсационная скорость также может быть разложена на составляющие продольную у, совпадающую с направлением продольной составляющей усредненной скорости Ох, равную у = = у —у , и поперечные составляющие и у в плоскости, перпендикулярной к Уд.. [c.117] Из сказанного выше следует, что усредненная скорость есть такая постоянная фиктивная скорость, с которой в течение некоторого времени через данное элементарное сечение должны были бы двигаться частицы жидкости для того, чтобы расход жидкости был равен действительному расходу, прошедшему через это элементарное сечение за то же время, но при истинных изменяющихся во времени скоростях. [c.117] Введение понятия усредненной скорости имело существенное значение для изучения механизма турбулентного режима. Как показывает обработка графиков пульсации, несмотря на кажущуюся беспорядочность изменения скорости, усредненная скорость достаточно большое время остается постоянной. Поэтому в турбулентном потоке вместо поля мгновенных скоростей можно рассматривать поле усредненных скоростей и в дальнейшем, говоря о скоростях элементарных струек в турбулентном потоке, мы всегда будем иметь в виду именно эти усредненные по времени скорости. Поступая подобным образом, можно также рассматривать турбулентное движение как движение установившееся, хотя, строго говоря, оно является неустановившимся, поскольку линии тока в каждый данный момент времени изменяют свою форму. [c.118] Как было установлено, в турбулентном потоке всегда наблюдается пульсация скоростей. Под действием пульсации частицы жидкости, движущиеся в главном (осевом) направлении потока, получают, кроме того, и поперечные перемещения, вследствие чего между соседними слоями жидкости возникает обмен частицами, вызывающий непрерывное перемешивание жидкости. [c.118] Однако у стенок, ограничивающих поток, создаются особые условия для движения жидкости. [c.118] В теориях, господствовавших в гидравлике до начала XX в., принималось, что здесь образуется некоторый неподвижный, мертвый слой, но которому со значительными скоростями движется вся остальная масса жидкости. Наличие этого неподвижного слоя с неизбежностью приводило к неправдоподобным выводам о разрыве скоростей, т. е. к такому закону распределения скоростей в поперечном сечении, при котором происходит внезапное, скачкообразное изменение скорости от нуля в неподвижном слое до некоторого конечного значения в остальной части потока. [c.118] Многочисленные экспериментальные данные, полученные различными исследователями по изучению турбулентных потоков (в основном в первой трети XX в), доказали очевидную несостоятельность этих теорий. Было установлено, что скорости течения жидкости непосредственно на самой поверхности стенок вследствие прилипания к ним смачивающей жидкости, равны нулю на весьма малом расстоянии от стенок скорости достигают значительной величины в остальных, более удаленных от стенок точках поперечного сечения происходит дальнейшее (но уже значительно более медленное) увеличение скорости. [c.118] Все это явилось основанием для установления схематизированной модели турбулентного потока, обычно принимаемой за основную рабочую схему при исследованиях турбулентного режима. По этой схеме (рис. 4.17), предложенной в 30-х годах XX в. немецким физиком Л. Прандтлем, у стенок образуется весьма тонкий слой, в котором скорость изменяется не скачкообразно, а непрерывно и движение жидкости происходит по законам ламинарного режима. Основная же центральная часть потока (ядро), связанная с этим слоем, называемым вязким (или ламинарным) подслоем, короткой переходной зоной, движется турбулентно с почти одинаковой для всех частиц жидкости осредненной скоростью. [c.119] Наличие у стенок твердых границ делает невозможным здесь поперечное движение частиц жидкости. Поэтому в ламинарном подслое перемешивание жидкости не происходит, ее частицы движутся тут по слегка извилистым траекториям, почти прямолинейным и параллельным стенкам. [c.119] Равномерное распределение скоростей, наблюдаемое в ядре потока, объясняется интенсивным перемешиванием основной 4 ]7 массы жидкости в этой центральной части потока. [c.119] Вернуться к основной статье