Структура турбулентного потока

Многочисленные исследования показали, что при увеличении числа Рейнольдса выше некоторого критического значения ламинарный режим течения жидкости становится неустойчивым и неизбежно переходит в турбулентный, где n – кинематический коэффициент вязкости жидкости (м²/с).

При движении жидкости в прямых круглых гладких трубах на участках, достаточно удаленных от входа, и при отсутствии различных возмущающих воздействий: .

При 2320 < Re < 10 000 турбулентный режим течения еще не полностью развит. Здесь зоны турбулентного движения могут перемежаться с зонами ламинарного движения. Такой режим течения жидкости иногда называют переходным.

Режим течения жидкостей в круглых трубах становится развитымтурбулентным при Re > 10 000.

При турбулентном режиме движения частицы жидкости движутся по беспорядочным, хаотическим траекториям, налагающимся на осредненное движение. В турбулентном потоке происходят пульсации скоростей, под действием которых частицы жидкости, движущиеся в главном (осевом) направлении, получают поперечные перемещения, приводящие к интенсивному перемешиванию потока по сечению.

Режим движения жидкости оказывает существенное влияние на гидравлическое сопротивление и потери знергии потока.

При турбулентном режиме течения жидкости в трубах потери напора определяются по формуле Дарси:

,

где – коэффициент гидравлического трения трубопровода.

При турбулентном режиме движения жидкости в трубах зависит от числа Рейнольдса ( ) и относительной шероховатости трубы ( ):

.

По характеру влияния числа и шероховатости на коэффициент выделяют зоны:

- зона гидравлически гладких труб, когда зависит только от числа и не зависит от шероховатости ;

- доквадратичная зона; здесь зависит и от числа и от относительной шероховатости ;

- квадратичная зона; зависит только от относительной шероховатости .

Рис.3.1. Структура турбулентного потока жидкости в трубе

По современным представлениям турбулентный поток жидкости в трубе состоит из двух основных зон: ламинарный подслой и турбулентноеядро потока.

1. Непосредственно у твердой поверхности располагается вязкий или ламинарный подслой с линейным профилем скорости. В вязком подслое турбулентные пульсации практически отсутствуют.

2. Над ламинарным подслоем располагается основная область --- турбулентное ядро потока. Режим течения в турбулентном ядре – турбулентный, профиль скорости – логарифмический.

3. Между ламинарным подслоем и турбулентным ядром обычно выделяют переходную область, в которой затухают турбулентные пульсации, проникающие из турбулентного слоя. Режим движения здесь переходный.