Характеристика турбулентного режима движения жидкости.

Один из современных ведущих исследований турбулентности отмечает, что исследование турбулентности можно назвать искусством понимания уравнений Навье - Стокса без фактического их решения. Характерным признаком турбулентного режима движения является преобладающее действие динамических сил, которые во много раз превосходят силы вязкости. Это имеет место при больших числах Рейнольдса, когда движение становится неустойчивым. С увеличением скорости сложное движение нарушается и на основное (первичное) движение накладываются случайные во времени и в пространстве колебания скорости и давления. Эти мгновенные нарушения движения уже не могут быь погашены силами вязкости, и которые становятся относительно малыми по сравнению с динамическими силами, последние обуславливают неупорядоченное хаотичное весьма сложное в деталях течение жидкости, называемое турбулентным. Наглядное представление дает наблюдение за кружащимися при падении снежинками. Сам термин «турбулентность» был введен в механику жидкости физиком Томсоном (лордом Кельвином).

Различают пристеночную и свободную турбулентности. Пристеночная турбулентность возбуждается силами трения вблизи неподвижных стенок (течения в трубах, в открытых руслах) во внутренней задаче, и в пограничных слоях во внешней задаче (то есть при обтекании тел).

Свободная турбулентность возникает при течении слоев жидкости с различными скоростями. Например, в потоке позади местных сопротивлений.

Первоначально рассмотрим потоки с пристеночной турбулентностью, основные источники которой трение о стенки русла, степень турбулентности внешнего течения при обтекании тела или входящего в трубу потока, геометрия передней кромки обтекаемого тела, теплопередача от стенки в поток.

В свое время, еще О. Рейнольдс отмечал, что ламинарное движение в трубах переходит в турбулентное не внезапно и не по всякой трубе.

Вначале на некоторых участках появляются отдельные турбулентные «пятна», которые либо растут и занимают все поперечное сечение трубы, образуя турбулентные «пробки», либо уменьшаются в размере и исчезают.

Образование турбулентных «пробок» характеризуется тем, что на таких участках потока имеет место турбулентный режим движения жидкости (2), а вне их- ламинарный (1). При возрастании скорости турбулентные «пробки» занимают все большие участки по длине трубы, пока не сольются в единый турбулентный поток. Если же скорости будут уменьшены, то «пробки» исчезают и весь поток становится ламинарным. Такой вид движения, характеризуется локальными турбулентными возмущениями, когда скорость движения уже не носит регулярного характера, называют перемежающейся турбулентностью. Она характеризуется коэффициентом перемежаемости , который равен отношению промежутка времени, в течении которого в определенном месте трубы наблюдается турбулентное движение, ко всему времени наблюдения. Если режим ламинарный, то =0, если турбулентный, то =1.

Таким образом, при больших числах Рейнольдса наступает полностью развитый турбулентный режим движения жидкости.

Одно из важнейших свойств турбулентности- неупорядочнность движения. Но в то же время турбулентное движение поддается описанию с помощью законов теории вероятности. При этом оказывается возможным указать статически точные средние характеристики движения (скорость, давление и др.). По И.О. Хинце определение турбулентности может быть сформулировано так: турбулентное движение жидкости предполагает наличие неупорядоченности течения, в котором различные величины претерпевают хаотическое изменение во времени и в пространственных координатах и при этом могут быть выделены их статистически точные осредненные значения.