Переход ламинарного течения в турбулентное

Переход ламинарного течения в турбулентное происходит на некотором участке (рис.6.6). Течение на этом участке имеет нестабильный характер и называется переходным.

Рисунок 6.6. Схема пограничного слоя.

1 – ламинарный пограничный слой; 2 – переходная область;

3 – турбулентный пограничный слой; 4 – вязкий (ламинарный) подслой

Законы теплообмена при ламинарном и турбулентном режимах различны, поэтому определение их границ имеет большое значение.

О режиме течения судят по критическим значениям числа Рейнольдса:

и ,

где – продольная координата, отсчитываемая от передней кромки поверхности. Зная и , можно рассчитывать значения и , определяющие соответственно начало разрушения ламинарного слоя и появление устойчивого турбулентного течения. Опыты показывают, что переход к турбулентному течению может иметь место при значениях примерно от 10⁴ до . Координаты и зависят от ряда факторов.

На переход влияют такие характеристики внешнего потока, как степень (интенсивность) турбулентности, масштаб турбулентности, частота пульсаций. При ускорении потока ( , конфузорное течение) переход затягивается, при замедлении ( , диффузорное течение) наступает при меньших значениях (или ).

Помимо параметров внешнего потока на переход из ламинарной формы течения в турбулентную влияют параметры, в той или иной степени связанные с омываемым телом. Значения и зависят от интенсивности теплообмена, от волнистости, шероховатости омываемой поверхности, удобообтекаемости передней кромки пластины, вибрации тела. Некоторые факторы взаимосвязаны.

На практике сечение перехода можно определить, в частности, по изменению распределения осредненной во времени скорости . При турбулентном течении резко увеличивается вблизи стенки; на удалении от нее становится более выровненной. Выравнивание объясняется турбулентным переносом количества движения.

Течение в переходной области не является стабильным. Турбулентность появляется в некоторой части пограничного слоя, затем турбулентно текущая жидкость уносится потоком. Смена ламинарных и турбулентных состояний течения происходит через неравномерные промежутки времени. Такое перемежающееся течение характеризуют коэффициентом перемежаемости . Коэффициент перемежаемости указывает, какую долю некоторого промежутка времени в определенной области жидкости существует турбулентное течение. Следовательно, коэффициент означает, что течение все время турбулентное, а коэффициент показывает, что течение все время ламинарное. Таким образом, граничные значения и приобретают характер осредненных во времени значений.

Большое количество влияющих факторов и отсутствие сведений о значении в промышленных установках затрудняют точное определение сечений перехода. Поэтому в расчетной практике отрезок часто заменяют точкой, а критическое значение оценивают приближенно по данным опытов. При достаточно удобообтекаемой передней кромке пластины можно принять, что

.