Диссипация энергии в турбулентном потоке

Рис. 1.4. Производство и диссипация энергии в турбулентном потоке (по Дж, И. Лауферу /329/)

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]

Вторым вопросом, который мы упомянем в заключение настоящего обзора, является вопрос об интересном эффекте, тесно связанном с механизмом диссипации энергии в турбулентном потоке, который в некоторых работах именуется эффектом Томса , по имени американского ученого Р. Томса, впервые наблюдавшего его в 1948 г. Этот эффект заключается [c.504]

ДИССИПАЦИЯ ЭНЕРГИИ В ТУРБУЛЕНТНОМ ПОТОКЕ 69 [c.69]

Диссипация энергии в турбулентном потоке [c.69]

Изменчивость диссипации энергии в турбулентном потоке и распределение энергии по спектру, Прикл. матем. мех., 27, № 5, 944—946. [c.694]

Опираясь на результаты рассмотрения вопросов подобия в напорных потоках в п. 7-4.1, мы можем предположить, что потери энергии на единицу веса, выраженные в безразмерной форме, должны зависеть от геометрии границ и характерного числа Рейнольдса потока. Диссипация энергии в неравномерном потоке является в первую очередь результатом генерации турбулентности в зонах отрыва, и мы вправе ожидать значительного влияния числа Рейнольдса только в том случае, если из-за влияния вязкости изменяется положение точки отрыва. [c.336]

Диссипация кинетической энергии в турбулентном потоке зависит от работы сил вязкости, вызванной градиентами средней скорости очень малого масштаба эти градиенты поддерживаются непрерывным процессом расщирения вихревых линий, вызванным переносом количества движения. [c.340]

Таким образом, американскими исследователями было показано, что плотность (а тем самым также инертность и весомость) частиц взвеси яе является единственным фактором, который влияет на диссипацию энергии в двухкомпонентном потоке. Из опытов со взвешенными частицами нейтральной плавучести можно заключить, что такие частицы отнюдь не гасят турбулентности, но, очевидно, меняют ее структуру, и это изменение ведет даже к возрастанию интенсивности турбулентности и сопротивления. [c.763]

Диссипирующая в потоке жидкости кинетическая энергия выделяется в основном у твердых стенок. Так как диссипация кинетической энергии происходит преимущественно в высокочастотных пульсациях, то последние оказывают также влияние на формирование вязкого подслоя, чтобы структура его соответствовала величине диссипации энергии в данных условиях движения. Это влияние осуществляется проникновением высокочастотных пульсаций в вязкий подслой. В свою очередь, возникающие у твердой стенки вязкие возмущения также воздействуют на основной поток. Весьма вероятно, что на границе вязкого подслоя идущие от стенки вязкие возмущения трансформируются в турбулентные пульсации так как геометрические размеры области, в которой происходит эта трансформация, есть толщина вязкого подслоя 6/7, то указанные турбулентные пульсации будут иметь масштаб 6 , т. е. окажутся наименьшими. [c.419]

При больших значениях Re велики также и значения Re крупномасштабных пульсаций. Однако большие числа Рейнольдса эквивалентны малым вязкостям. Следовательно, вязкость жидкости становится существенной только для мелкомасштабных пульсаций, где значения Re, имеют порядок, равный приблизительно 1. Именно, в этих мелкомасштабных пульсациях, незначительных с точки зрения обш,ей картины движения в турбулентном потоке, и происходит диссипация энергии. Поэтому пульсации, входящие в формулу (186), относятся к мелкомасштабным. Большие завихрения, которые образуются за препятствием (см.,, например, рис. 81 и рис. 102), являются крупномасштабными пульсациями. Их кинетическая энергия переходит в пульсации меньшего масштаба практически бе рассеивания энергии, пока они не станут достаточно малыми. Так возникает своеобразный каскадный процесс, при котором энергия осредненного движения последовательно передается все меньшим пульсациям вплоть до движений минимального масштаба, где превалирует влияние вязкости. [c.155]

Как отмечается в [2.46], экспериментальные данные по коэффициенту сопротивления сферических частиц в турбулентных потоках колеблются от значений, превышающих втрое значения, определяемые стандартной кривой, до значений, меньших в 100 раз. Физические причины влияния степени турбулентности на сопротивление частиц обусловлены изменением характера их обтекания. При большой степени турбулентности верхнее критическое число Re, которое соответствует резкому снижению сопротивления и переходу от ламинарного режима течения в пограничном слое к турбулентному (Re 10 —10 ), может уменьшаться, при этом коэффициент сопротивления становится меньше. При низкой степени турбулентности коэффициент сопротивления может оказаться несколько выше значений, определяемых по стандартной кривой, вследствие диссипации энергии в области следа. При уменьшении чисел Re влияние турбулентности набегающего потока становится меньше. [c.50]

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]

Качественная схема механизма турбулентности, введенная Л. Ричардсоном, позволяет предположить, что для достаточно больших чисел Рейнольдса статистический режим мелкомасштабных пульсаций в известном смысле однороден, изотропен и практически стационарен. Это важное положение дало возможность А. Н. Колмогорову построить в 1941 г. теорию развитой локально изотропной турбулентности описывающую уже значительный круг реальных турбулентных движений В основу математической теории им были положены гипотезы о характере зависимости распределения вероятностей относительных скоростей в турбулентном потоке от средней удельной диссипации энергии и вязкости. Гипотезы Колмогорова привели к ряду важных количественных выводов и, в частности, к так называемому закону двух третей (средний квадрат разности скоростей в двух точках при некоторых средних расстояниях между ними пропорционален этому расстоянию в степени V3) и его спектральному аналогу ( закон пяти третей ). Выводы теории локально изотропной турбулентности были подвергнуты тщательному экспериментальному изучению в лабораторных и натур-300 ных условиях и получили в общем удовлетворительное подтверждение [c.300]

Баланс энергии в турбулентном следе за воздухозаборником с тупым центральным телом был исследован Роузом [80] на основе рассмотрения экспериментальных данных и главных членов уравнений количества движения и энергии для осредненного и вторичного движения. Явления возбуждения и диссипации турбулентности в турбулентных следах этих типов, как и ожидалось, очень сложные, тем не менее можно утверждать, что основная зона возбуждения турбулентности находится между завихренным ядром и основным потоком. Кроме того, можно определить диссипацию анергии даже в зонах неоднородной анизотропной турбулентности с помощью одной лишь производной скорости вместо девяти производных, входящих в обобщенную диссипативную функцию. Потери энергии в основном потоке почти исключительно связаны с возбуждением турбулентности [80]. [c.123]

Уравнение, описывающее стационарный конвективно-радиационный перенос тепла в турбулентном потоке без учета диссипации энергии и других источников тепла, представится в следующем виде [c.470]

Для ответа на этот вопрос следует выяснить, от каких параметров может зависеть статистический режим мелкомасштабных пульсаций. Естественно ожидать, что при переходе ко все более и более мелким пульсациям, наряду с ослаблением ориентирующего влияния осредненного течения, будет ослабевать и влияние всех вообще его геометрических и кинематических особенностей. Поэтому можно думать, что характеристики осредненного течения (типа, например, характерной длины Ь и характерной скорости и) не будут непосредственно определять статистический режим мелкомасштабных пульсаций. Но в таком случае статистический режим этих пульсаций не будет зависеть от конкретного вида осредненного движения, а будет определяться своими собственными внутренними закономерностями. Подобные закономерности, очевидно, должны быть обусловлены общими для всех локально изотропных турбулентных течений процессами передачи энергии от крупномасштабных движений к движениям меньших масштабов под действием сил инерции (т. е. в виде работы, совершаемой против действия напряжений Рейнольдса) и диссипации энергии в теплоту под действием вязкого трения. Это утверждение можно перевести на язык общей механики, рассматривая развитый турбулентный поток как динамическую систему с очень большим числом степеней свободы и выделив степени свободы, относящиеся к мелкомасштабным (и высокочастотным) компонентам движения. Тогда сказанное выше означает, что силы инерции и силы трения, отвечающие выделенным степеням свободы, должны находиться в статистическом равновесии, не зависящем от особенностей крупномасштабных компонент движения. [c.317]

Вязкость жидкости становится существенной только для самых мелкомасштабных пульсаций, число Рейнольдса которых сравнимо с единицей (масштаб этих движений обозначим как Хд он будет определён в следующем параграфе). Именно в этих мелкомасштабных пульсациях, не существенных с точки зрения общей картины движения жидкости в турбулентном потоке, и происходит диссипация энергии. [c.148]

Процесс энергоразделения неотделим от процесса диссипации части механической энергии в тепло, возникающего из-за совершения работы по преодолению турбулентных напряжений. Вследствие энергетической изолированности течения в предположении незначительности абсолютной величины гидравлических потерь преодоление потоком турбулентного трения однозначно связано со снижением давления в потоке. Это снижение давления, трактуемое как потеря энергии, вызывает снижение эффекта температурного разделения в вихревой трубе по отношению к эффекту, который возникал бы в случае идеального течения без трения. Поэтому термодинамическая эффективность процесса энергоразделения в вихревой трубе может быть оценена внутренним адиабатным КПД [c.182]

При больших R велики таклсе и числа Рейнольдса R . крупномасштабных пульсаций. Но большие числа Рейнольдса эквивалентны малым вязкостям. Отсюда можно заключить, что для крупномасштабного движения, являющегося как раз основным во всяком турбулентном потоке, вязкость жидкости не играет роли. Поэтому в крупномасштабных пульсациях не происходи г и заметной диссипации энергии. [c.186]

При последующем осреднении по времени преобразованных уравнений в них появляются дополнительные члены, представляющие собой турбулентные напряжения трения, турбулентный поток тепла и дополнительную диссипацию энергии, отвечающую рассеиванию работы турбулентного трения. [c.249]

Расчетным путем также оценивалось отношение скоростей диссипации энергии в дисперсном чистом потоках вп/е. При значительном изменении турбулентной диффузии еп/е = 3- 5. Обнаружено, что с увеличением Re в 2,5 раза при прочих равных условиях (например, для стеклянных шариков 0 0,38 мм при р=1,5—2,5%) относительный коэффициент турбулентной диффузии Еа/Е падает более чем в два раза. Этот эффект, объяс- [c.112]

Легко определить диссипацию энергии в рассматриваемом турбулентном потоке. Величина а представляет собой среднее значение компоненты П,у тензора плотности потока импульса. Вне вязкого подслоя в tlxy можно опустить член с вязкостью, так что Шу = (iVxVii. Введя пульсационную скорость v и помня, что средняя скорость направлена по оси х, имеем v — u- -Vy — V y. Тогда ) [c.247]

Предположим, что произошло изменение в распределении осред-ненных скоростей и появление турбулентной вязкости предопределяется случайным сильным искажением распределения скоростей в пределах потока, т.е. упруговязкие характеристики среды не в состоянии восстановить первоначальное распределение скоростей. В результате возникает первоначальное перемещение конечных масс не только по направлению основного потока, приводящее к переносу количества движения большей величины в сравнении с переносом молекулами при ламинарном движении. Для осредненного движения перенос количества движения поперек потока количественно характеризуется турбулентной вязкостью. В турбулентном потоке имеет место уже распределение двух взаимосвязанных и взаимозависимых параметров - осредненной скорости и турбулентной вязкости. Турбулентная вязкость, имея намного большую величину, чем молекулярная вязкость, соответственно увеличивает абсолютную величину касательного напряжения (внутреннего трения), однако не может изменить закона касательного напряжения, зависящего только от равновесия действующих сил. Следовательно, равновесные распределения скорости и турбулентной вязкости предопределяются законом касательного напряжения. В этом, взаиморавновесном распределении скорости и турбулентной вязкости, немаловажное значение имеет молекулярная вязкость, через которую происходит диссипация энергии. Только сумма молекулярной и турбулентной вязкостей соответствует данному закону касательного напряжения. [c.60]

Как показано выше, коэффициент поверхностного натяжения воды с добавками ОДА значительно снижается, что приводит к интенсификации процесса дробления капель. Опыты, проведенные на суживающемся сопле (рис. 9.4, а), подтвердили значительное уменьшение среднемассового диаметра капель (более чем в 3 раза) при введении ОДА. При концентрации ОДА 8-10- кг/кг уменьшение диаметров капель было обнаружено и на входе в сопло, что объясняется интенсивной адсорбцией ОДА жидкой фазой перед соплом и соответственно дроблением капель. Аналогичный результат получен при исследовании дисперсных характеристик вихревого следа за пластиной (рис. 9.4,6). При концентрации ОДА 10 кг/кг диаметры капель уменьшаются в 3—4 раза. Потери кинетической энергии в поперечном сечении вихревого следа, по данным [28], при введении ОДА снижаются. Особый интерес представляет изучение явления снижения гидродинамического сопротивления в турбулентных потоках при введении полимерных добавок, впервые обнаруженного Томсом [189]. Хорошо известны гипотезы, предложенные для объяснения ламинаризирую-щего воздействия полимерных веществ [97, 158 и др.], использующие модель взаимодействия с основной средой крупных полимерных молекул (или их ассоциаций), имеющих линейные размеры в несколько десятков и сотен ангстрем (существенно превосходящие размеры молекулярных ассоциаций основной среды). Дополнительная вязкая диссипация, вызванная обтеканием макромоле-кулярных клубков периодически нестационарным (пульсацион-ным) потоком, и значительная инерционность этих клубков приводят к частичному вырождению мелкомасштабных турбулентных пульсаций. По-видимому, справедлива качественная аналогия между эффектами, фиксируемыми при введении гидрофобных присадок в потоки жидкости и мельчайших капель, возникающих при. конденсации парового потока. Как уже упоминалось (см. гл. 3,6), мелкие капли снижают интенсивность турбулентности несущей [c.301]

Анализ механизма процессов обмена в турбулентном потоке жидкости дает возможность наметить пути для преодоления создавщихся трудностей. Действительно, величина коэффициента теплопроводности и теплоемкость существенны не во всем объеме турбулентного потока жидкости, а лишь в пограничном слое, в котором доминирующую роль играет молекулярный процесс переноса тепла — теплопроводность. В то же время потеря напора, зависящая от плотности и вязкости среды, хотя и вызывается процессами, возникающими в ламинарном пограничном слое (или подслое), однако основная диссипация энергии сосредоточена в турбулентной зоне потока. [c.183]

Соотношения (4.2.29)-(4.2.31) по существу следуют из соображений теории размерности и являются обобщением известной гипотезы Колмогорова Колмогоров, 1941,1942), состоящей в том, что скорость диссипации энергии в данной точке развитого турбулентного потока определяется только локальными значениями средней турбулентной энергии единицы массы <е > и масштабом турбулентности Дг,г), а турбулентный перенос импульса и пульсационной энергии осуществляется посредством диффузионных членов градиентного типа. Как уже отмечалось, в таком виде уравнение (4.2.28) часто используется в конкретных расчетах турбулентных движений по моделям Колмогорова-Лаундера и других Левеллен, 1980). [c.184]

С. И. Кучанов и В. Г. Левич оценили также величину дополнительной диссипации энергии, обусловленной наличием в турбулентном потоке взвешенных частиц, и пришли к заключению, что благодаря практически полному увлечению частиц жидкостью инерционная диссипация в жидкости мала в отличие от случая движения частиц в газе.. [c.759]

Это уравнение определяет связь комплекса i7г/o/v с геометрическими параметрами и характеристиками течения. Отметим, что формула (1. 13) не содержит констант диффузии и диссипации в отличие от аналогичной связи, яолу-ченной в работе [6] при отсутствии генерации турбулентной энергии во всем потоке. Число 81=Ки/ВеРг определяется из уравйения переноса тепла в турбулентном потоке [6] [c.13]

Мы приходим, таким образом, к следующему представлению о диссипации энергии при турбулентном движении. От пульсаций с большими масштабами энергия переходит в пульсации с меньшими масштабами, практически не диссипируясь при этом. Можно сказать, что имеется как бы непрерывный поток энергии от крупно- к мелкомасштабным пульсациям, т. е. от малых частот к большим. Этот поток энергии диссипируется, т. е. кинетическая энергия переходит в тепло, в самых мелкомасштабных пульсациях ). [c.148]

Для этого выясним предварительно, какими параметрами могут вообще определяться свойства турбулентного движения в участках, малых по сравнению с /, но больших по сравнению с расстояниями ,о. на которых начинает играть роль вязкость жидкости ниже будет идти речь именно о таких расстояниях. Этими параметрами является плотность р жидкости и, кроме того, еще одпа. характерная для турбулентного потока величина — энергия е, диссипируемая в единицу времени в единице массы жидкости. Мы видели, что е представляет собой поток энергии, непрерывно передаваемой от пульсаций с большими к пульсациям с меньшими масштабами. Поэтому, хотя диссипация энергии и обусловливается в конечном итоге вязкостью жидкости и происходит в самых мелкомасштабных пульсациях, тем не менее величина е определяет свойства движения и в больших масштабах. Что касается масштабов I и Аи размеров и скорости движения в целом, то естественно считать, что (при заданных р и е) локальные свойства турбулентности от этих величин не зависят. Вязкость жидкости V тоже не может входить ни в какие интересующие нас теперь величины (напоминаем, что речь идет о расстояниях [c.189]

Энциклопедия по машиностроению XXL

Оборудование, материаловедение, механика и ...