Основные характеристики турбулентного потока

В повседневной жизни мы постоянно сталкиваемся с проявлением турбулентности в окружающем нас мире: движение воздуха в атмосфере и воды в гидросфере в большинстве случаев имеет турбулентный характер. Вследствие турбулентности происходит обмен количеством движения и теплотой между океаном и атмосферой (зарождение воздушных течений и волн, испарение с поверхности океана и суши, вертикальный перенос теплоты, влаги, солей и различных загрязнений и т.п.). В космосе так называемая плазменная турбулентность оказывает большое влияние на взаимодействие заряженных частиц плазмы и, следовательно, на диссипацию и флуктуацию амплитуды и фазы звуковых, световых и радиоволн (включая мерцание звезд, флуктуацию радиосигналов космических аппаратов, сверхдальнее телевидение и т. п.).

Промышленные процессы наиболее часто осуществляются также при турбулентном режиме движения потоков, поскольку в этих условиях большинство химико-технологических процессов протекает значительно интенсивнее. Структура турбулентного потока определяется скоростью движения потока, физическими свойствами жидкости, формой и размерами ограничивающих поток стенок канала и др.

Отдельные элементы турбулентного потока - вихри (иногда их еще называют жидкими комками или жидкими молями) – совершают хаотические неустановившиеся движения. Под вихрем понимают группу частиц, вращающихся вокруг одной мгновенной оси с одинаковой угловой скоростью, так что по отношению к окружающей жидкости вихрь подобен твердому телу. В процессе турбулентного течения вихри непрерывно возникают и распадаются. Глубина их проникновения до разрушения, т.е. пространственное протяжение элементов турбулентности, зависит от степени развития турбулентности в потоке, или ее масштаба, и называется масштабом турбулентности. Масштаб турбулентности во многом определяется внешними условиями течения (например, диаметром трубопровода или канала). Турбулентность, не ограниченную влиянием стенок, называют свободной (например, истечение жидких и газовых струй в неподвижную жидкость).

Вихри пульсируют относительно их среднего положения в текущей жидкости; такое движение называют пульсационным. Аналогичным образом пульсирует и мгновенная скорость в данной точке потока. Беспорядочное перемещение вихрей приводит к интенсивному перемешиванию жидкости по сечению потока. Пульсации - наиболее характерный признак турбулентности. Ввиду того что масса вихря и путь, который он проходит, несравненно больше массы молекулы и длины ее свободного пробега, перенос импульса, массы и теплоты за счет хаотического движения вихрей значительно превосходит молекулярный перенос, вызываемый тепловым движением молекул.

При турбулентном движении кривая распределения скоростей по сечению имеет отличный от параболы (характерной для ламинарного движения) вид - вершина кривой значительно сглажена.

При этом соотношение w/w_max=f(Re). Чем больше Re, тем больше соотношение w/w_max, т.е. тем ближе средняя скорость потока к максимальной (на оси потока). Теоретически описать профиль скоростей в этом случае чрезвычайно трудно ввиду сложного характера турбулентного движения. Поэтому кривая w/w_max выражает распределение не истинных, а осредненных во времени скоростей, т.е. турбулентное течение, строго говоря, по существу не является установившимся - мгновенные скорости в каждой точке потока меняются во времени. Но использование осредненных во времени скоростей позволяет приближенно рассматривать это движение как установившееся. В этом смысле турбулентное движение можно характеризовать как квазистационарное.