Вихри различных масштабов

Частотный спектр пульсаций также является важной характеристикой турбулентного потока. Поскольку в турбулентном потоке существуют вихри различного масштаба и энергии, то в потоке имеет место широкий спектр частот пульсаций. Для крупных вихрей характерны низкие частоты, для мелких — более высокие. Экспериментальное определение частотного спектра состоит в измерении энергии сигнала, соответствующей данной частоте пульсаций или некоторому диапазону частот. [c.265]

Взаимность касательных напряжений 57 Вискозиметр 181 Вихри различных масштабов 504 Вихрь частицы 37 [c.514]

Турбулентность принадлежит к числу очень распространенных и, вместе с тем, наиболее сложных явлений природы, связанных с возникновением и развитием организованных структур (вихрей различного масштаба) при определенных режимах движения жидкости в существенно нелинейной гидродинамической системе. Прямое численное моделирование турбулентных течений сопряжено с большими математическими трудностями, а построение общей теории турбулентности, из-за сложности механизмов взаимодействующих когерентных структур, вряд ли возможно. При потере устойчивости ламинарного течения, определяемой критическим значением числа Рейнольдса, в такой системе возникает трехмерное нестационарное движение, в котором, вследствие растяжения вихрей, создается непрерывное распределение пульсаций скорости в интервале длин волн от минимальных, определяемых вязкими силами, до максимальных, определяемых границами течения. На условия возникновения завихренности и структуру развитой турбулентности оказывают влияние как физические свойства среды, такие как молекулярная вязкость, с которой связана диссипация энергии в турбулентном потоке, так и условия на границе, где наблюдаются тонкие пограничные вихревые слои, неустойчивость которых проявляется в порождении ими вихревых трубок. Турбулизация приводит к быстрому перемешиванию частиц среды и повышению эффективности переноса импульса, тепла и массы, а в многокомпонентных средах - также способствует ускорению протекания химических реакций. По мере накопления знаний о разнообразных природных объектах, в которых турбулентность играет значительную, а во многих случаях определяющую роль, моделирование этого явления и связанных с ним эффектов приобретает все более важное значение. [c.5]

Скорость в турбулентном потоке V (х) является случайной функцией. Все поле скоростей такого потока может быть представлено как совокупность возмущений ( вихрей ) различных масштабов. Самые крупные вихри определяются размерами всего потока в целом Ь Смысл величины Ь может быть весьма различен. Например, это может быть высота слоя воздуха над поверхностью земли, размеры обтекаемого тела, если турбулентность вызывается обтеканием такого тела первоначально ламинарным потоком, размерами трубы, из которой выходит струя, и т. п. [c.57]

Пример 7. Пусть имеется отнесенное к единице массы стационарное распределение энергии турбулентности между вихрями различных размеров Х, так что dE = E X)dX. Предположим, что это распределение определяется инерциальным механизмом передачи энергии турбулентности вихрям меньших размеров К. Очевидно, что скорость передачи энергии, приходящейся на единицу массы, имеет размерность V /T = D/T -, следовательно, при любом изменении масштаба вида L- aL, Т- - Т она умножается на величину Кроме того, чтобы [c.127]

Турбулентными называют беспорядочные неустановившиеся движения жидкости (газа), налагающиеся на основное движение среды, которое можно представить себе как некоторое статистически среднее движение. При турбулентном режиме течения гидродинамические и термодинамические характеристики жидкости (скорость, температура, давление, массовая плотность, концентрации химических компонентов, показатель преломления среды и т.д.) испытывают хаотические пульсации и потому изменяются от точки к точке и во времени нерегулярно. Благодаря образованию многочисленных вихрей различных размеров, турбулентные течения обладают повышенной способностью к переносу количества движения, энергии и массы элементарных жидких объемов, что приводит, как к увеличенному силовому воздействию на обтекаемые твердые тела, так и к интенсивным теплообмену и перемешиванию между слоями, к ускоренному протеканию химических реакций и т.п. Такие режимы движения жидкости возникают при потере устойчивости упорядоченного ламинарного движения, когда безразмерное число Рейнольдса Ке - VI / у (где V, Ь - характерные скорость и линейный масштаб течения, V - кинематическая вязкость) превосходит некоторое критическое значение. В более общем смысле турбулентность служит [c.10]

Турбулентное течение характеризуется вихревыми движениями с самыми различными масштабами. Максимальный размер вихрей имеет порядок величины Яу поскольку никаких больших размеров в течении нет. Скорость и потока одновременно представляет собой характерную скорость частиц жидкости в вихрях максимальных размеров (еслн отвлечься от логарифмических факторов, которые существенны прн более детальном рассмотрении см. (9.28)). [c.120]

Оценим скорости частиц жидкости в вихрях различных размеров при развитой турбулентности. Рассмотрим вихревое движение с характерным масштабом I в интервале / С/С/ . Здесь /о — размер вихря, для которого число Рейнольдса порядка единицы. Как уже было сказано выше, величина / представляет собой максимальный размер вихря. Обозначим VI скорость вихря с характерным масштабом /. [c.122]

В турбулентном потоке существуют вихри самых различных масштабов, максимальный размер которых определяется размерами системы и средней скоростью движения, а минимальный - вязкостью, которая гасит самые мелкие вихри. Так, при у 100 м/с минимальный масштаб вихрей приблизительно равен 1 мм. [c.305]

Турбулентное движение воздуха можно представить следующим образом. Атмосферные процессы, такие, например, как трение воздушного потока о поверхность земли и образование вследствие этого профиля скорости ветра с большими вертикальными градиентами, термическая конвекция, связанная с неодинаковым нагреванием различных участков подстилающей поверхности, изменение поля температуры и скорости ветра в результате облако-образования и т. п. [3], приводят к образованию крупномасштабных вихрей. Характерный размер этих вихрей о называется внешним масштабом турбулентности. Если число Рейнольдса Lo/v, где —разница скоростей на расстоянии 1о, ве- [c.11]

По результатам всех экспериментов был найден осред-ненный для различных е безразмерный характерный масштаб вихря Ь1 Яп) п — число вихрей). Согласно рис. 18 11 Яп) растет с увеличением п, но приближается, по-видимому, к какому-то предельному значению. [c.75]

Для газов число Прандтля Рг = 0(1), поэтому Ре = 0(Ке) и для решения уравнения энергии можно применять те же методы, что и для уравнения переноса вихря. Для нефти Рг > 1, а для жидких металлов Рг <С 1. В этих случаях числа Пекле и Рейнольдса сильно отличаются и для решения каждого из двух этих уравнений могут подходить различные методы. Более того, для описания нестационарного поведения каждого из этих уравнений могут потребоваться разные масштабы времени. Исходя из этого, Браун [1966] предлагает выбирать различные шаги по времени для двух этих уравнений. [c.285]

Будем полагать, что уравнения Навье — Стокса являются строгими уравнениями и в случае турбулентного течения. Это, вероятно, вьшолняется, так как самые маленькие вихри на несколько порядков величин больше, чем масштаб длины молекулярного движения. Физическая структура турбулентности носит сложный характер и требует детального изучения во времени и пространстве. Для понимания процессов переноса в турбулентных течениях следует рассматривать взаимодействие различных процессов мелкомасштабной и крупномасштабной турбулентности, структуру пристеночного турбулентного пограничного слоя и др. [c.84]

Не представляется возможным углубляться здесь далее в физиографические и геологические факторы, влияющие на установление типа и распределение различных осадков, но приведенные в последующем основные положения должны быть вполне очевидны. Все стратиграфические слои являются следствием изменений в физических условиях, при которых имело место осадкообразование. Резкая разница в последовательности образований большого масштаба обязана своей причиной региональным изменениям, меньшие отклонения в пределах единичного слоя обязаны местным или временным изменениям. В качестве примера можно указать, что глинистые частицы среди соответствующих прослоек известняка могут быть отнесены за счет штормов исключительной силы, когорые создавали значительные вихри в обычно чистых водах. Неисчислимая слоистость некоторых глин могла явиться следствием обычных или цикличных изменений бурной погоды. [c.32]

Здесь скобки () означают осреднение, которое производится по различным реализациям (полетам). Даже при одинаковых интегральных характеристиках турбулентности, таких, как среднеквадратичная скорость турбулентных пульсаций, масштаб турбулентности и спектральная плотность энергии, распределение скорости по длине вихря будет зависеть от конкретного состояния турбулентной атмосферы. [c.129]

Результаты измерения корреляционных функций пульсаций скорости в жидкости и газе позволяют получить внутренние X и внешние Л масштабы турбулентности. Физически эти величины интерпретируются как некоторые характерные размеры турбулентных вихрей. Так, внутренний масштаб X соответствует расстоянию, на котором изменение мгновенной скорости имеет порядок интенсивности турбулентности. Для разных пульсационных составляющих скорости значения внутреннего масштаба различны. [c.129]

Измерения проводились на различных состояниях поверхности раздела фаз, различных значениях истинного газосодержания и критерия Фруда. Получаемые данные сравнивались со спектрами м и у для однофазного потока, формируемого в той же экспериментальной трубе (рис. 3.52). Анализ данных свидетельствует о том, что при относительно малых скоростях воздуха (Ее = 15 600, Ке == 32 300) спектры и и и имеют незначительные участки, описываемые законом — 5/3 Обухова — Колмогорова. Снижение спектральной плотности при f > 200 Гц идет быстрее, чем это должно быть при выполнении закона —5/3 . Поскольку интенсивность диссипации турбулентной энергии по спектру вихрей соизмерима с интенсивностью ее инерционного переноса в том же масштабе турбулентных возмущений, то следует считать, что и скорость диссипации турбулентности в условиях эксперимента оказывается несколько завышенной. [c.136]

При изучении вклада вихрей различного масштаба в процесс переноса энергии в потоке было обнаружено, что турбулентность в пучке витых труб содержит наряду с крупными энергосодержащими вихрями и вихри малых размеров. Так какГ дис-сипация энергии под действием вязкости возрастает при уменьшении размера вихрей,- то наблюдаемьш в пучке витых труб сдвиг энергетического спектра турбулентности, в область высоких частот по сравнению со спектром в круглой трубе-[12] позволяет объяснить увеличение гидравлического сопротивления по сравнению с гидравлическим сопротивлением в круглых трубах. Выражая величину м " в виде спектра по волновым числам [c.75]

При изучении молекулярной диффузии предполагается, что движение каждой молекулы не зависит от молекул, находящихся в непосредственной близости к ней. В турбулентном потоке дело обстоит иначе. Соседние элементы жидкости (воздуха) имеют тенденцию прт1нять то же значение скорости, что и рассматриваемый элемент, если только расстояние между ними мало. Если рассматривать турбулентный поток как наложение вихрей (пульсаций) различных масштабов, то расстояние между двумя близкими элементами жидкости будет сначала изменяться благодаря только наименьшим вихрям. Крупные вихри будут просто переносить рассматриваемую пару точек (элементов) как целое, не стремясь их разделить. Но как только расстояние между элементами жидкости увеличится, в добавление к малым в игру вступают более крупные вихри. Поэтому в турбулентном потоке жидкости важным является не столько перемещение самого элемента жидкости, сколько изменение его расстояния от соседних элементов. Математическая обработка этих общих соображений и описание турбулентного потока с помощью статистических характеристик, относящихся к средним значениям пульсаций не самой скорости потока, а лишь к разности скоростей в двух точках потока, впервые были предложены акад. А. Н. Колмогоровым ). [c.229]

Основой для предположения об изотропности мелкомасштабных возмущений любого турбулентного потока с достаточно большим числом Рейнольдса является качественная схема развитой турбулентности, предложенная еще в 20-х годах нашего столетия, исходя из чисто интуитивных представлений, Ричардсоном. Согласно схеме Ричардсона, развитая турбулентность складывается из совокупностей неупорядоченных возмущений ( вихрей ) различных порядков, отличающихся характерными масштабами и скоростями. Если постепенно увеличивать число Рейнольдса, переводя поток из ламинарного режима в развитый турбулентный режим, то возмущения разных порядков появляются не все одновременно. Вначале при переходе числа Рейнольдса Re = t/Z,/v через значение Re r возникают лишь наиболее крупномасштабные пульсации, имеющие характер плавных волн (типа тех, которые были [c.309]

Сформулированные два предположения, по-видимому. могут в какой-то мере заменить две гипотезы, приведенные на стр. 523. Однако ясно, что они сами по себе еще не могут привести к логарифмической нормальности распределения диссипащ1и энергии или к каким-либо заменяющим этот факт статистическим закономерностям, указывающим на хаотичность каскадного процесса дробления вихрей, складывающегося из ряда независимых между собой стадий. Поэтому при использовании гипотез подобия, формулируемых, в терминах отношений разностей скоростей, надо принять по крайней мере еще одну (третью) гипотезу, обеспечивающую практическую независимость друг от друга возмущений с резко различными масштабами, из которой уже будет следовать логарифмически нормальное распределение (с дисперсией, пропорщюнальной логарифму числа Рейнольдса) величины е и родственных ей гидродинамических характеристик. В качестве возможного варианта такой третьей гипотезы Колмогоров предложил рассмотреть следующее утверждение если Г1 >Г2, то две группы величин (25.36) такие, что в первой из них Х 1 — дс I > Г при всех к, а во второй дс — ДС < Гг при всех к, являются статистически независимыми. Мы здесь не будем, однако, подробно обсуждать возможные пути использования этой третьей гипотезы, поскольку вообще весь подход к теории турбулентности, исходящий из рассмотрения распределений вероятностей для отношений разностей скоростей, пока намечен лишь в самых общих чертах, и его развитие требует еще значительной работы, остающейся делом будущего. [c.545]

В качестве введения в задачу о взаимодействии многофазной среды с телом oy и Тьен [742] расс.мотрели движение отдельной сферической твердой частицы вблизи стенки, обтекаемой турбулентным потоком жидкости. Теоретический анализ содержал основное уравнение движения, описывающее влияние стенки на двухфазный турбулентный поток, и решение уравнений, включающее лишь наиболее существенные процессы, которые протекают в стацпонарных условиях. Упрощенная физическая модель рассматрпвае.мых явлений представляла собой сферическую твердую частицу в полубесконечном турбулентном потоке жидкости, ограниченном бесконечно протяженной стенкой (фиг. 2.10). Размер частицы предполагался настолько малым в сравнении с раз-меро.м вихря пли микромасштабом турбулентности потока, что вклад различных пульсаций скорости был линеен. Описание характера движенп.ч потока строилось на основе данных по распределению интенсивностей и масштабов турбулентности [105, 418, 468]. Течение, особенно вблизи стенки, является анизотропным и неоднородным. Тем не менее в качестве основного ограничивающего допущения было принято представление о локальной изотропно- [c.58]

Пульсационное движение является следствием собственного движения турбулентных образований, которые налагаются на основное движение. Эти объемы ( крупные вихри ) имеют различные размеры, которые характеризуют пространственный масштаб турбулентности. Наряду с пространственным рассматривается временной масштаб турбулентности, характеризуюший среднее время, необходимое для прохождения области возмущения ( вихря ) через фиксированную точку пространства. [c.257]

Из (2.1а) - (2.1в), (2.5) видно, что поля и, V, h, с одной стороны, и поле вихря (С — К), с другой стороны, характеризуются, вообще говоря, различными временными масштабами. Характерное время изменения и, v, h равно инерционному времени Tj = / , а завихренности (( — h) — адвективному [c.510]

На рис. 57 показана деформация круга радиусом 1/ , расположенного симметрично относительно двух вихрей. Здесь отчетливо проявляется тенденция вытягивания в спираль отмеченной области. При этом форма перемещенной области при больших временах качественно слабо зависит от своей начальной формы. Это подтверждает рис.58, где показаны положения в различные моменты времени квадрата, имеющего ту же площадь, что и рассмотренный выше круг. Ьлияние близости области к тому или иному вихрю отражает рис. 59. Здесь внутри атмосферы помещен круг радиусом 0,25, центр которого удален от верхнего вихря на расстояние 0,5. При этом картина деформирования такой круговой области показывает слабое влияние на нее второго вихря и практически совпадает с рассмотренным выше случаем адвекции в поле одного вихря. Справедливы также приведенные выше оценки для характерных временных масштабов Наконец, на рис. 60 показана деформация прямоугольной области, расположенной вне атмосферы пары вблизи ее передней границы. Здесь реализуется гладкое движение, характерное для потенциального обтекания овального твердого тела. [c.177]

Опыты показывают, что свободная турбулентность имеет двоякую структуру. Основная часть пульсаций имеет сравнительно малый масштаб и высокие частоты от нескольких килогерц до 200 Гц и содержат основную часть турбулентной энергии. На эту структуру налагается система больших вихрей с частотой пульсаций порядка 20.... 30 Гц. Расширение свободных турбулентных струй определяется движением этих вихрей, для которых справедлива зависимость (17.6). Большие вихри искривляют границы пограничного слоя с ядром постоянной скорости и с окружающей средой и осуществляют захват нетурбулентной жидкости. Эта модель предполагает наличие сравнительно резкой границы между турбулентной и нетурбулентной жидкостью, что подтверждается опытом. В тонком слое, в месте соприкосновения турбулентной и нетурбулентной жидкостей, должна проявляться вязкость, так как передача завихренности может происходить только за счет сил сдвига. Этот тонкий слой называется ламинарным надслоем, по аналогии с ламинарным подслоем в турбулентном пограничном слое на твердой поверхности. Очевидно, что в области границ струйного пограничного слоя течение имеет перемежающийся характер, так как через данную точку пространства хаотически во времени проходят моли жидкости различной степени турбулентности. На рис. 17.1 сопоставляются поле скорости и коэффициент перемежаемости у (см. п. 6.1) в сечении основного участка струи. Вблизи оси струи коэффициент перемежаемости равен единице, а в области границы он резко падает до нуля. Характерно, что ширина струи, определенная по пульсациям скорости, т. е. по у, всегда превышает ширину, определенную по осредненной скорости. График распределения степени турбулентности ги = ы Ыт по сечению основного участка струи показывает неравномерность этого распределения. Максимум интен- сивности примерно соответствует максимуму йи (1у. [c.333]

Описание турбулентности можно проводить в трактовке Эйлера, рассматривая статистическое распределение скоростей в интересующей исследователя точке в разные моменты времени или в трактовке Лангранжа,когда описываются пути движения отдельных частиц жидкости. В соответствии с этим существуют различные способы определения масштаба турбулентности , который характеризует средний размер вихрей в турбулентном потоке. [c.65]

Энциклопедия по машиностроению XXL

Оборудование, материаловедение, механика и ...