Turbulentné prúdenie tekutiny. Turbulentné prúdenie tekutiny

Štruktúra turbulentného prúdenia. Charakteristickým znakom turbulentného pohybu tekutín je chaotický pohyb častíc v prúde. V tomto prípade však možno často pozorovať určitú pravidelnosť

pohyb. Pomocou termohydrometra, zariadenia, ktoré vám umožní zaznamenať zmenu rýchlosti v mieste merania, môžete urobiť krivku rýchlosti. Ak zvolíme časový interval dostatočnej dĺžky, ukáže sa, že kolísanie rýchlosti sa pozoruje okolo určitej úrovne a táto úroveň zostáva konštantná pri výbere rôznych časových intervalov. Veľkosť rýchlosti v danom bode v danom čase sa nazýva okamžitá rýchlosť. Graf zmien okamžitej rýchlosti v čase u (t) je znázornené na obrázku. Ak vyberiete určitý časový interval na krivke rýchlosti a integrujete krivku rýchlosti a potom nájdete priemernú hodnotu, potom sa táto hodnota nazýva spriemerovaná rýchlosť.

Rozdiel medzi okamžitou a priemernou rýchlosťou sa nazýva rýchlosť zvlnenia. a“.

Ak zostanú hodnoty spriemerovaných rýchlostí v rôznych časových intervaloch konštantné, potom bude takýto turbulentný pohyb tekutiny stabilný.

S nestabilným turbulentným pohybom kvapalín, hodnoty priemerných rýchlostí sa menia s časom

Pulzácia tekutiny spôsobuje miešanie tekutiny v prúde. Intenzita miešania závisí, ako je známe, od Reynoldsovho čísla, t.j. pri zachovaní ďalších podmienok na rýchlosť pohybu tekutiny. Takže v konkrétnom vlákne

kvapalina (viskozita kvapaliny a rozmery úseku sú určené primárnymi podmienkami) charakter jej pohybu závisí od rýchlosti. Pre turbulentné prúdenie je to kritické. Takže v periférnych vrstvách tekutiny budú rýchlosti vždy minimálne a spôsob pohybu v týchto vrstvách bude prirodzene laminárne. Zvýšenie rýchlosti na kritickú hodnotu povedie k zmene režimu prúdenia tekutiny z laminárneho režimu na turbulentný. Tie. v reálnom prúdení sú prítomné laminárne aj turbulentné režimy.

Prúd tekutiny teda pozostáva z laminárnej zóny (pri stene kanála) a jadra turbulentného prúdenia (v strede) a keďže rýchlosť do stredu turbulentného prúdenia

prúd rýchlo rastie, hrúbka obvodovej laminárnej vrstvy je najčastejšie zanedbateľná a samotná vrstva sa, prirodzene, nazýva laminárny film, ktorého hrúbka závisí od rýchlosti pohybu tekutiny.

Hydraulicky hladké a drsné rúry. Stav stien potrubia výrazne ovplyvňuje správanie sa tekutiny v turbulentnom prúdení. Teda s laminárnym pohybom kvapalina sa pohybuje pomaly a hladko, pokojne obteká menšie prekážky na svojej ceste. Lokálny odpor vznikajúci v tomto prípade je taký zanedbateľný, že ich veľkosť možno zanedbať. Pri turbulentnom prúdení však takéto malé prekážky slúžia ako zdroj vírivého pohybu kvapaliny, čo vedie k zvýšeniu týchto malých lokálnych hydraulických odporov, ktoré sme pri laminárnom prúdení zanedbali. Nerovnosti sú také malé prekážky na stene potrubia. Absolútna hodnota takýchto nepravidelností závisí od kvality spracovania potrubia. V hydraulike sa tieto nepravidelnosti nazývajú hrebene drsnosti, označujú sa písmenom.

V závislosti od pomeru hrúbky laminárneho filmu a veľkosti výstupkov drsnosti sa bude meniť charakter pohybu kvapaliny v prúdení. V prípade, že hrúbka laminárnej fólie je veľká v porovnaní s veľkosťou výstupkov drsnosti (výstupky drsnosti sú ponorené do laminárnej fólie a turbulentného jadra toku, sú neprístupné (ich prítomnosť nemá vplyv na prúdenie).Takéto rúry sa nazývajú hydraulicky hladké (schéma 1 na obrázku).Keď veľkosť výstupkov drsnosti presiahne hrúbku laminárnej fólie, fólia stratí svoju kontinuitu a výstupky drsnosti sa stanú zdrojom početných vírov, ktoré výrazne ovplyvňuje prietok tekutiny ako celok.Takéto rúry sa nazývajú hydraulicky drsné (alebo jednoducho drsné) (Schéma 3 na obrázku).Existuje aj stredný typ drsnosti steny potrubia, kedy sa výstupky drsnosti stanú primeranými hrúbke laminárna fólia (schéma 2 na obrázku).

binárny film možno odhadnúť na základe empirickej rovnice

Šmykové napätia pri turbulentnom prúdení. Pri turbulentnom prúdení musí byť veľkosť šmykových napätí väčšia ako pri laminárnom prúdení, pretože dodatočné šmykové napätia spôsobené miešaním tekutín by sa mali pridať k šmykovým napätiam určeným, keď sa viskózna kvapalina pohybuje pozdĺž potrubia.

Pozrime sa na tento proces bližšie. V turbulentnom prúdení spolu s pohybom kvapalnej častice pozdĺž osi potrubia rýchlosťou a rovnaká častica kvapaliny je súčasne transportovaná v kolmom smere z jednej vrstvy kvapaliny do druhej rýchlosťou rovnajúcou sa rýchlosti pulzácie a Vyberieme základnú lokalitu dS, rovnobežne s osou potrubia. Prostredníctvom tejto platformy sa bude kvapalina pohybovať z jednej vrstvy do druhej rýchlosťou pulzovania, pričom prietok kvapaliny bude:

Tekutá hmota dM r, pohybovali po stránke v čase dt bude:

V dôsledku horizontálnej zložky rýchlosti pulzácie ich táto hmota dostane prírastok hybnosti v novej vrstve tekutiny dM,

Ak by sa pretečenie kvapaliny uskutočnilo do vrstvy pohybujúcej sa vyššou rýchlosťou, potom bude prírastok hybnosti zodpovedať impulzu sily dT, nasmerovaný v smere opačnom k pohybu kvapaliny, t.j. rýchlosť ich:

Pre priemerné hodnoty rýchlosti:

Treba poznamenať, že keď sa častice kvapaliny pohybujú z jednej vrstvy do druhej, nenadobudnú rýchlosť novej vrstvy okamžite, ale až po určitom čase; počas tejto doby budú mať častice čas prejsť hlbšie do novej vrstvy v určitej vzdialenosti /, ktorá sa nazýva dĺžka dráhy miešania.

Teraz zvážte nejakú kvapalnú časticu umiestnenú v bode A Nechajte túto časticu presunúť sa do susednej vrstvy kvapaliny a prehĺbiť sa do nej na dĺžku dráhy miešania, t.j. skončil v bode V. Potom bude vzdialenosť medzi týmito bodmi rovná /. Ak je rýchlosť tekutiny v bode A budú rovné a potom rýchlosť v bode

V sa bude rovnať.

Predpokladajme, že pulzácie rýchlosti sú úmerné prírastku rýchlosti objemu kvapaliny. potom:

Výsledná závislosť sa nazýva Prandtlov vzorec a je zákonom v teórii turbulentného trenia, ako aj zákonom viskózneho trenia pre laminárny pohyb tekutiny. Prepíšme poslednú závislosť do tvaru:

Tu koeficient, nazývaný koeficient turbulentnej výmeny

zohráva úlohu dynamický koeficient viskozity, ktorý zdôrazňuje všeobecnosť základov teórie Newtona a Prandtla. Teoreticky by sa celkové šmykové napätie malo rovnať:

* "

ale prvý člen na pravej strane rovnosti je malý v porovnaní s druhým a jeho hodnotu možno zanedbať

Rozloženie rýchlosti na úseku turbulentného prúdenia. Pozorovania hodnôt priemerných rýchlostí v turbulentnom prúdení tekutiny ukázali, že diagram spriemerovaných rýchlostí v turbulentnom prúdení úseky sa rovnajú priemernej rýchlosti. Porovnaním diagramov rýchlostí turbulentného prúdenia (schéma 1) a laminárneho prúdenia možno konštatovať, že rozdelenie rýchlostí v obytnej časti je prakticky rovnomerné. Prandtlovou prácou sa zistilo, že zákon zmeny šmykových napätí na priereze prúdenia je blízky logaritmickému zákonu. Za určitých predpokladov: prúdenie pozdĺž nekonečnej roviny a rovnosť tangenciálnych napätí vo všetkých bodoch na povrchu

Po integrácii:

Posledný výraz sa skonvertuje na nasledovné:

Nikuradze a Reichardt pri rozvíjaní Prandtlovej teórie navrhli podobný vzťah pre okrúhle rúry.

Strata trecej hlavy pri turbulentnom prúdení tekutiny. Pri skúmaní otázky stanovenia koeficientu straty trecej hlavy v hydraulicky hladkých potrubiach možno dospieť k záveru, že tento koeficient úplne závisí od Reynoldsovho čísla. Na určenie koeficientu trenia sú známe empirické vzorce, najrozšírenejší je Blasiov vzorec:

Podľa údajov z mnohých experimentov je Blasiusov vzorec potvrdený v rámci hodnôt Reynoldsovho čísla od 1 do 10 5. Ďalším bežným empirickým vzorcom na určenie Darcyho koeficientu je P.K. Konakov:

Formula P.K. Konakova má širšiu škálu aplikácií až do hodnôt Reynoldsových čísel niekoľko miliónov. Vzorec G.K. Filonenko:

Štúdium pohybu kvapaliny cez hrubé potrubie v oblasti, kde je strata tlaku určená iba drsnosťou stien potrubia a nezávisí od rýchlosti

pohyb tekutiny, t.j. z Reynoldsovho čísla vykonali Prandtl a Nikuradze. Ako výsledok ich experimentov na modeloch s umelou drsnosťou bola stanovená závislosť pre Darcyho koeficient pre túto takzvanú kvadratickú oblasť prúdenia tekutín.

(z latinského turbulentus - búrlivý, neusporiadaný), forma prúdenia kvapaliny alebo plynu, keď ich prvky vykonávajú nestabilné pohyby po zložitých trajektóriách, čo vedie k intenzívnemu miešaniu medzi vrstvami kvapaliny alebo plynu (pozri TURBULENCE). Najdôkladnejšie študovaný T. t. V potrubiach, kanáloch, hraničných vrstvách v blízkosti prúdiacej kvapaliny alebo tuhej látky. tela, ako aj tzv. voľný T. t - prúdy, stopy pohybu pevnej látky vzhľadom na kvapalinu alebo plyn. telesá a zmiešavacie zóny medzi prúdmi rôznej rýchlosti, ktoré nie sú oddelené K.-L. tv steny. T. t. V každom z uvedených prípadov sa líši od zodpovedajúceho laminárneho prúdenia ako jeho komplexný int. štruktúra (obr. 1) a distribúcia
Ryža. 1. Turbulentné prúdenie.

priemerná rýchlosť na priereze prúdenia (obr. 2) a integrálna charakteristika - závislosť priemeru na priereze alebo max. rýchlosť, prietok, ako aj koef. odpor od Reynoldsovho čísla Re, Profil priemernej rýchlosti T. t. v potrubiach alebo kanáloch sa líši od parabolického. profilu zodpovedajúceho laminárneho prúdenia s rýchlejším nárastom rýchlosti pri stenách a nižším
Ryža. 2. Profil priemernej rýchlosti: a - s laminárnym prúdením; b - s turbulentným prúdením.

zakrivenie do stredu. časti toku. S výnimkou tenkej vrstvy v blízkosti steny je rýchlostný profil opísaný logaritmom. zákon (to znamená, že rýchlosť je lineárne závislá od logaritmu vzdialenosti od steny). odpor l = 8tw / rv2cp (kde tw je trecie napätie na stene, r je hustota kvapaliny, vav je priemerná rýchlosť prúdenia cez prierez) súvisí s Re pomerom:

l1 / 2 = (1 / c? 8) ln (l1 / 2Re) + B,

kde c. a B sú číselné konštanty. Na rozdiel od laminárnych hraničných vrstiev má turbulentná hraničná vrstva zvyčajne zreteľnú hranicu, ktorá sa v čase náhodne mení (v rozmedzí 0,4 b - 1,2 d, kde d je vzdialenosť od steny, pri ktorej je priemerná rýchlosť 0,99 v, av je rýchlosť mimo hraničná vrstva). Profil priemernej rýchlosti v blízkostennej časti turbulentnej hraničnej vrstvy je opísaný logaritmom. zákona a navonok. časť rýchlosti sa zvyšuje so vzdialenosťou od steny rýchlejšie ako logaritmus. zákon. Závislosť l na Re tu má formu podobnú tej, ktorá je naznačená vyššie.

Trysky, stopy a zmiešavacie zóny majú cca. sebepodobnosť: v každom úseku c = konšt. ktoréhokoľvek z týchto T. t. v nie príliš malých vzdialenostiach x od začiatku. sekcii, môžete zaviesť také škály dĺžky a rýchlosti L (x) a v (x), ktoré sú bezrozmerné štatistické. har-ki hydrodynamický. polia (najmä profily priemernej rýchlosti) získané pomocou týchto mierok budú rovnaké vo všetkých sekciách.

V prípade voľného T. t. Oblasť výroby, obsadená vírom T. t., má v každom časovom okamihu jasný, ale veľmi nepravidelný tvar hraníc, mimo ktorých je tok potenciálny . Zóna prerušovanej turbulencie sa tu ukazuje oveľa širšia ako v hraničných vrstvách.
Fyzický encyklopedický slovník. - M .: Sovietska encyklopédia..1983 .

turbulentné prúdenie
Forma toku kvapaliny alebo plynu, s rezom v dôsledku prítomnosti v priebehu mnohých. vír rozkl. veľkosť častíc kvapaliny je chaotická. nestabilné pohyby pozdĺž zložitých trajektórií (pozri. turbulencie), na rozdiel od laminárneho prúdenia s hladkými kváziparalelnými trajektóriami častíc. T. t. sú pozorované, keď sú definované. podmienky (pre dostatočne veľké Reynoldsove čísla) v potrubiach, kanáloch, hraničných vrstvách v blízkosti povrchov pevných telies pohybujúcich sa vo vzťahu ku kvapaline alebo plynu, v dráhach za takýmito telesami, prúdoch, zónach miešania medzi prúdmi rôznych rýchlostí, ako aj v rôznych prírodných podmienkach.

T. t. Od laminárneho sa líšia nielen povahou pohybu častíc, ale aj rozložením priemernej rýchlosti v priereze prúdenia, závislosťou priemernej alebo max. rýchlosť, prietok a koef. odpor z Reynoldsovho čísla Re, oveľa vyššia intenzita prenosu tepla a hmoty.

Profil priemernej rýchlosti T. t. V potrubiach a kanáloch sa líši od parabolického. profil laminárneho prúdenia s menším zakrivením v osi a rýchlejším nárastom rýchlosti pri stenách, kde s výnimkou tenkej viskóznej podvrstvy (s hrúbkou rádovo kde v- viskozita, - "fričná rýchlosť", t-turbulentné trecie napätie, r-hustota) rýchlostný profil je popísaný univerzálnym Re logaritmus. podľa zákona:

kde r 0 sa rovná hladkej stene a je úmerná výške tuberkulóz s drsnou stenou.

Turbulentná hraničná vrstva má na rozdiel od laminárnej zvyčajne zreteľnú hranicu, nepravidelne kolísajúcu v čase v medziach kde d je vzdialenosť od steny, pri ktorej rýchlosť dosahuje 99 % hodnoty mimo hraničnej vrstvy; v tejto oblasti sa rýchlosť zvyšuje so vzdialenosťou od steny rýchlejšie ako v logaritme. zákon.

Trysky, stopy a zmiešavacie zóny majú cca. sebepodobnosť: so vzdialenosťou X od začiatku. stupnica dĺžky sekcie L rastie ako x t, a stupnica rýchlosti U klesá ako x -n, kde pre hromadný prúd t = n = 1, pre byt T=1, n= 1/2 pre objemovú stopu T= 1/3, n= 2/3, pre plochú dráhu m = n = 1/2, pre zmiešavaciu zónu m = 1, n = 0. Hranica turbulentnej oblasti je tu tiež zreteľná, ale nepravidelného tvaru a kolíše širšie ako hranice hraničných vrstiev, v plochej brázde - v rozmedzí (0,4-3,2) L.

Svieti .: Landau L.D., Lifshits E.M., Mechanika spojitých médií, 2. vydanie, Moskva, 1954; Loytsyansky L.G., Mechanika kvapalín a plynu, 6. vydanie, M., 1987; Townsend A.A., Štruktúra turbulentného prúdenia s priečnym šmykom, prekl. z angličtiny, M., 1959; Abramovič GN, Teória turbulentných prúdov, M., 1960; Monin A.S., Yaglom A.M., Statistical Hydromechanics, 2. vydanie, P. . 1, SPb., 1992. A.S. Monin.

Fyzická encyklopédia. V 5 zväzkoch. - M .: Sovietska encyklopédia.Hlavný redaktor A.M. Prochorov.1988 .

Turbulentné prúdenie je charakterizované miešaním tekutín, kolísaním rýchlostí a tlakov.

Ryža. 8.1. Zvlnenie rýchlosti v turbulentnom prúdení

Rýchlosť kolíše náhodne okolo nejakého priemeru v osrčasová hodnota, ktorá v tomto prípade zostáva konštantná. Turbulentné prúdenie je vždy nestabilné, pretože hodnoty rýchlostí a tlakov, ako aj trajektória častíc sa menia v čase.

Rozloženie rýchlostí v turbulentnom prúdení je rovnomernejšie a nárast rýchlosti v blízkosti steny je strmší ako pri laminárnom prúdení.

Ryža. 8.2. Rýchlostné profily laminárne

a turbulentné prúdenie

Keďže pri turbulentnom prúdení nedochádza k vrstveniu prúdenia a dochádza k miešaniu kvapaliny, Newtonov zákon trenia v tomto prípade vyjadruje len malú časť celkového šmykového napätia.

V dôsledku miešania kvapaliny a nepretržitého prenosu hybnosti v priečnom smere, šmykové napätie τ 0 na stene potrubia pri turbulentnom prúdení je oveľa vyššia ako pri laminárnom. V tomto ohľade sú straty energie počas turbulentného prúdenia tekutiny v potrubiach tiež odlišné od strát pri laminárnom prúdení.

Ryža. 8.3. Závislosť v a Q

Kvôli zložitosti turbulentného prúdenia a ťažkostiam s jeho analytickým štúdiom preň stále neexistuje dostatočne rigorózna a presná teória.

Turbulentný pohyb v praktických výpočtoch nie je opísaný okamžitými, ale časovo spriemerovanými rýchlosťami

kde T je interval priemerovania.

Rozdiel sa nazýva rýchlosť zvlnenia.

Na posúdenie pulzačných zložiek (aditív) rýchlosti sa zavedie štandard, ktorý sa rovná strednej odmocnine odchýlky pulzačných aditív.

Stupeň (intenzita) turbulencie je pomer strednej kvadratúry odchýlky pulzačnej zložky (sčítania) rýchlosti k charakteristickej rýchlosti prúdenia (k spriemerovanej lokálnej rýchlosti v danom bode, k vertikálnemu priemeru, k. priemer na obytnú plochu, na maximálnu rýchlosť). Charakteristická rýchlosť sa zvyčajne berie ako priemerný prietok, priemerná miestna rýchlosť v danom bode alebo dynamická rýchlosť

kde R je hydraulický polomer;

J - hydraulický sklon.

Štúdie ukazujú, že najvšeobecnejšie výsledky na opis rýchlostí pulzovania pri turbulentnom pohybe sa získajú, ak sa dynamická rýchlosť berie ako mierka rýchlosti, t.j.

Ako príklad uvažujme prúdenie tekutiny v priamočiarom valcovom potrubí kruhového prierezu (axiálne symetrické prúdenie). Štruktúra toku v potrubí v turbulentnom režime pohybu je zvyčajne znázornená ako približná dvojvrstvová schéma (model). Na pevnej stene sa rýchlosti vrátane pulzujúcich rovnajú nule. V blízkosti pevnej steny je veľmi tenká vrstva, v ktorej majú prevládajúci vplyv šmykové napätia vypočítané podľa Newtonovho zákona viskózneho trenia. Preto sa uvažovaná vrstva nazýva viskózna toková podvrstva.

Vo viskóznej podvrstve sa rýchlosť lineárne zvyšuje od nuly na stene po určitú hodnotu na hranici vrstvy. Predtým sa verilo, že v rámci tejto tenkej vrstvy je pohyb úplne laminárny, nie sú v nej žiadne pulzácie rýchlosti, tlaku, šmykového napätia, a preto sa nazývala laminárna podvrstva (film).

Zvyšok prierezu potrubia sa považuje za obsadený turbulentným jadrom prúdenia, kde dochádza k intenzívnym pulzáciám rýchlosti a miešaniu častíc kvapaliny.

Pohybové rovnice vyjadrené ako priemerné rýchlosti pre prípad turbulentného nestabilného pohybu nestlačiteľnej tekutiny sa nazývajú Reynoldsove rovnice a majú tvar

Premietnuté na os x:

Veličiny typu zahrnutého v Reynoldsovej rovnici sa nazývajú turbulentné napätia. Súvislosť medzi nimi a rýchlosťami deformácie je stanovená na základe hypotéz, ktoré tvoria základ semiempirických teórií turbulencie (hypotéza M. Boussinesqa, hypotéza L. Prandtla, hypotéza J. Taylora, hypotéza T. Karmana atď.). Vo väčšine prípadov na praktické výpočty súvisiace s turbulentným prúdením tekutín v potrubiach využívajú experimentálne údaje systematizované na základe teórie hydrodynamickej podobnosti.

Hlavným výpočtovým vzorcom pre stratu hlavy pri turbulentnom prúdení v kruhových potrubiach je empirický vzorec nazývaný Darcy - Weisbachov vzorec a má nasledujúci tvar:

Tento základný vzorec platí pre turbulentné aj laminárne prúdenie; rozdiel je len v hodnotách koeficientu .

Stokes Navier

Vortex street pri obtekaní valca

Prietok kvapaliny a plyny
Plazivý prúd
Laminárne prúdenie
Potenciálny prúd
Oddelenie prúdu
Vortex
Nestabilita
Turbulencie
Konvekcia
Rázová vlna
Nadzvukové prúdenie

Turbulencie, je zastaraný. turbulencie(lat. turbulentus- búrlivý, neusporiadaný), turbulentné prúdenie- jav spočíva v tom, že so zvyšovaním intenzity prúdenia kvapaliny alebo plynu v médiu sa spontánne vytvárajú početné nelineárne fraktálne vlny a obyčajné, lineárne vlny rôznych veľkostí, bez prítomnosti vonkajších, náhodných síl ktoré rušia médium a/alebo v ich prítomnosti. Na výpočet takýchto tokov boli vytvorené rôzne modely turbulencie.

Turbulenciu experimentálne objavil anglický inžinier Reynolds v roku 1883 pri štúdiu prúdenia nestlačiteľnej vody v potrubí.

V civilnom letectve sa vstup do zóny vysokej turbulencie nazýva vzduchová kapsa.

Parametre okamžitého prietoku (rýchlosť, teplota, tlak, koncentrácia nečistôt) zároveň náhodne kolíšu okolo priemerných hodnôt. Závislosť druhej mocniny amplitúdy od frekvencie kmitov (alebo Fourierovho spektra) je spojitá funkcia.

Pre vznik turbulencií je potrebné súvislé médium, ktoré sa riadi kinetickou rovnicou Boltzmanna alebo Navier-Stokesa alebo hraničnou vrstvou. Navierova-Stokesova rovnica (zahŕňa aj rovnicu zachovania hmoty alebo rovnicu kontinuity) popisuje súbor turbulentných prúdení s dostatočnou presnosťou pre prax.

Turbulencia zvyčajne nastáva, keď sú prekročené určité kritické Reynoldsove a/alebo Rayleighove čísla (v konkrétnom prípade prietoku pri konštantnej hustote a priemere potrubia a/alebo teplote na vonkajšej hranici média).

V konkrétnom prípade sa pozoruje v mnohých tokoch kvapalín a plynov, viacfázových tokoch, tekutých kryštáloch, kvantových kvapalinách Bose a Fermi, magnetických kvapalinách, plazme a akýchkoľvek kontinuálnych médiách (napríklad v piesku, zemi, kovoch). Turbulenciu pozorujeme aj pri výbuchoch hviezd, v supratekutom héliu, v neutrónových hviezdach, v pľúcach človeka, pohybe krvi v srdci, pri turbulentnom (tzv. vibračnom) spaľovaní.

Vyskytuje sa spontánne, keď susedné oblasti média nasledujú alebo prenikajú jedna za druhou, v prítomnosti poklesu tlaku alebo v prítomnosti gravitácie, alebo keď oblasti média obtekajú nepriepustné povrchy.

Môže nastať, keď existuje presvedčivá náhodná sila. Vonkajšia náhodná sila a gravitácia zvyčajne pôsobia súčasne. Napríklad pri zemetrasení alebo nárazovom vetre spadne lavína z hory, vo vnútri ktorej je turbulentné prúdenie snehu.

Turbulencie môžu vzniknúť napríklad:

zvýšením Reynoldsovho čísla (zvýšenie lineárnej rýchlosti alebo uhlovej rýchlosti otáčania toku, veľkosť prúdnicového telesa, zníženie prvého alebo druhého koeficientu molekulovej viskozity, zvýšenie hustoty média) a/alebo Rayleighovho čísla ( ohriať médium) a/alebo zvýšiť Prandtlovo číslo (znížiť viskozitu).

a / alebo nastaviť veľmi zložitý druh vonkajšej sily (príklady: chaotická sila, náraz). Tok nemusí mať fraktálne vlastnosti.

a/alebo vytvoriť zložité hraničné a/alebo počiatočné podmienky špecifikovaním funkcie tvaru hraníc. Napríklad môžu byť reprezentované ako náhodná funkcia. Napríklad: prúdenie pri výbuchu nádoby s plynom. Je možné napríklad organizovať vstrekovanie plynu do média, vytvárať drsný povrch. Použite vysokú trysku. Nasaďte sieťku. V tomto prípade tok nemusí mať fraktálne vlastnosti.

a / alebo vytvoriť kvantový stav. Táto podmienka platí len pre izotop hélia 3 a 4. Všetky ostatné látky zamrznú a zostávajú v normálnom, nekvantovom stave.

ožarovať okolie zvukom s vysokou intenzitou.

prostredníctvom chemických reakcií, ako je spaľovanie. Tvar plameňa, rovnako ako vzhľad vodopádu, môže byť chaotický.

teória

Pri vysokých Reynoldsových číslach sú prietoky slabo závislé od malých zmien na hranici. Preto pri rôznych počiatočných rýchlostiach pohybu lode sa pred jej nosom vytvorí rovnaká vlna, keď sa pohybuje cestovnou rýchlosťou. Nos rakety horí a vytvára rovnaký obraz výšky, napriek rozdielnej počiatočnej rýchlosti.

Fraktál- znamená sebepodobný. Napríklad vaša ruka má rovnaký fraktálny rozmer ako vaši predkovia a potomkovia. Priamka má fraktálny rozmer rovný jednej. Rovina sa rovná dvom. Lopta má tri. Koryto rieky má fraktálny rozmer viac ako 1, ale menej ako dva, ak sa pozeráme z výšky satelitu. V rastlinách fraktálny rozmer rastie z nuly na viac ako dva. Pre geometrické tvary existuje merná jednotka nazývaná fraktálna dimenzia. Náš svet nemožno znázorniť ako množstvo čiar, trojuholníkov, štvorcov, gúľ a iných jednoduchých tvarov. A fraktálna dimenzia vám umožňuje rýchlo charakterizovať geometrické telesá zložitých tvarov. Napríklad fragment škrupiny.

Nelineárna vlna- vlna, ktorá má nelineárne vlastnosti. Ich amplitúdy nemožno pri kolízii sčítať. Ich vlastnosti sa pri malých zmenách parametrov veľmi menia. Nelineárne vlny sa nazývajú disipatívne štruktúry. Nemajú lineárne procesy difrakcie, interferencie, polarizácie. Existujú však nelineárne procesy, napríklad samozameranie. V tomto prípade sa koeficient difúzie média, prenos energie a hybnosti a trecia sila na povrchu prudko zvýšia o rády.

To znamená v konkrétnom prípade v potrubí s absolútne hladkými stenami pri rýchlosti vyššej ako je určitá kritická, v prúdení akéhokoľvek súvislého média, ktorého teplota je konštantná, iba pôsobením gravitácie, nelineárne samočinné prúdenie. vždy sa spontánne vytvárajú podobné vlny a potom turbulencie. Zároveň neexistujú žiadne vonkajšie rušivé sily. Ak dodatočne vytvoríte rušivú náhodnú silu alebo jamky na vnútornom povrchu potrubia, potom sa objavia aj turbulencie.

V konkrétnom prípade nelineárne vlny - víry, tornáda, solitóny a iné nelineárne javy (napríklad vlny v plazme - obyčajný a guľový blesk), vyskytujúce sa súčasne s lineárnymi procesmi (napríklad akustické vlny).

V matematickom jazyku turbulencia znamená, že presné analytické riešenie parciálnych diferenciálnych rovníc na zachovanie hybnosti a zachovanie Navier-Stokesovej hmoty (toto je Newtonov zákon so súčtom viskozitných síl a tlakových síl v médiu a rovnice kontinuity alebo zachovania hmotnosti) a energetická rovnica je, keď nejaké kritické Reynoldsovo číslo, zvláštny atraktor. Predstavujú nelineárne vlny a majú fraktálne, sebepodobné vlastnosti. Ale keďže vlny zaberajú konečný objem, určitá časť oblasti prúdenia je laminárna.

Pri veľmi malom Reynolovom čísle sú to dobre známe lineárne vlny na vode s malou amplitúdou. Pri vysokých rýchlostiach pozorujeme nelineárne vlny cunami alebo lámajúce sa vlny. Napríklad veľké vlny za priehradou sa rozpadajú na menšie vlny.

V dôsledku nelineárnych vĺn môžu akékoľvek parametre média (rýchlosť, teplota, tlak, hustota) zaznamenať chaotické oscilácie, meniť sa z bodu do bodu a v čase neperiodicky. Sú veľmi citlivé na najmenšiu zmenu parametrov prostredia. Pri turbulentnom prúdení sú okamžité parametre média rozdelené podľa náhodného zákona. To odlišuje turbulentné prúdenie od laminárneho prúdenia. Ale riadením priemerných parametrov môžeme kontrolovať turbulencie. Napríklad zmenou priemeru trubice kontrolujeme Reynoldsovo číslo, spotrebu paliva a rýchlosť plnenia nádrže rakety.

Literatúra

Reynods O., Experimentálne skúmanie okolností, ktoré určujú, či má byť pohyb vody priamy alebo kľukatý, a zákona odporu v paralelných kanáloch. Phil. Trans. Roy. Soc., Londýn, 1883, v. 174
Feigenbaum M., Journal Stat Physics, 1978, v. 19, s. 25
Feigenbaum M., Journal Stat Physics, 1979, v. 21, s. 669
Feigenbaum M., Uspekhi Fizicheskikh Nauk, 1983, v. 141, s. 343 [preklad Los Alamos Science, 1980, v.1, s.4]

Landau L.D., Lifshits E.M. Gidromechanika, - Moskva: Nauka, 1986 .-- 736 s.
A.S. Monin, A.M. Yaglom, Štatistická mechanika tekutín. Za 2 hodiny - Petrohrad: Gidrometeoizdat, kap. 1, 1992. - 695 s., Moskva, Nauka, kap. 2, 1967. - 720 s.
Obukhov A.M. Turbulencie a dynamika atmosféry"Gidrometeoizdat" 414 s. 1988 ISBN 5-286-00059-2
Problémy s turbulenciou. Zborník preložených článkov, vyd. M. A. Velikanov a N. T. Shveikovsky. M.-L., ONTI, 1936 .-- 332 s.
D. I. Greenvald, V. I. Nikora, "Turbulencia rieky", L., Gidrometeoizdat, 1988, 152 s.
P. G. Frick. Turbulencie: Modely a prístupy. Prednáškový kurz. Časť I. PSTU, Perm, 1998. - 108 s. Časť II. - 136 s.
P. Berger, I. Pomeau, C. Vidal, Poriadok v chaose, O deterministickom prístupe k turbulencii, M, Mir, 1991, 368 s.
K.E. Gustafson, Úvod do parciálnych diferenciálnych rovníc a Hilbertových priestorových metód - 3. vydanie, 1999

- (z latinského turbulentus turbulentný neusporiadaný), prúdenie kvapaliny alebo plynu, v ktorom častice kvapaliny vykonávajú neusporiadané, chaotické pohyby po zložitých trajektóriách a rýchlosť, teplota, tlak a hustota média sú chaotické ... ... Veľký encyklopedický slovník

Moderná encyklopédia

turbulentné prúdenie, vo fyzike pohyb tekutiny, pri ktorom dochádza k náhodnému pohybu jej častíc. Typické pre kvapalinu alebo plyn s vysokým REYNOLDOVOM ČÍSLOM. pozri aj LAMINAR FLOW ... Vedecko-technický encyklopedický slovník

turbulentné prúdenie- Prúd, v ktorom sa častice plynu pohybujú komplexne neusporiadane a transportné procesy prebiehajú na makroskopickej, nie na molekulárnej úrovni. [GOST 23281 78] Témy aerodynamiky lietadiel Zovšeobecňujúce pojmy, typy prúdov ... ... Technická príručka prekladateľa

Turbulentné prúdenie- (z latinského turbulentus turbulentný, neusporiadaný), prúdenie kvapaliny alebo plynu, v ktorom častice kvapaliny vykonávajú neusporiadané, chaotické pohyby pozdĺž zložitých trajektórií a rýchlosť, teplota, tlak a hustota média zažívajú ... .. . Ilustrovaný encyklopedický slovník

- (z lat. turbulentus turbulentný, neusporiadaný * a. turbulentné prúdenie; n. Wirbelstromung; f. ecoulement turbulentný, ecoulement tourbillonnaire; a. flujo turbulento, corriente turbulenta) pohyb kvapaliny alebo plynu, pri ktorom a ... ... Geologická encyklopédia

turbulentné prúdenie- Forma prúdenia vody alebo vzduchu, v ktorej ich častice vykonávajú náhodné pohyby pozdĺž zložitých trajektórií, čo vedie k intenzívnemu miešaniu. Syn .: turbulencia ... Geografický slovník

turbulentné prúdenie- typ prúdenia kvapaliny (alebo plynu), v ktorom ich malé objemové prvky vykonávajú nestabilné pohyby pozdĺž zložitých náhodných trajektórií, čo vedie k intenzívnemu miešaniu vrstiev kvapaliny (alebo plynu). T. t. vzniká v dôsledku ... ... Veľká polytechnická encyklopédia

Turbulentné prúdenie

prúdenie kvapaliny alebo plynu, charakterizované náhodným, nepravidelným pohybom ich objemov a ich intenzívnym miešaním ( cm. Turbulencie), ale vo všeobecnosti hladké, pravidelné. Vznik T. t. je spojený s nestabilitou laminárneho prúdenia pri veľkých Reynoldsových číslach ( cm. Prechod laminárneho prúdenia na turbulentné). Pri štúdiu turbulencie sa rozlišuje medzi blízkostennými prúdmi (turbulentná hraničná vrstva, prúdy v potrubiach a kanáloch) a voľnými prúdmi (turbulentné prúdy, aerodynamické brázdy a zmiešavacie vrstvy).
T. t. Sú rozšírené v prírodných javoch a technických zariadeniach a vyznačujú sa obrovskými, v porovnaní s laminárnymi tokmi, hodnotami koeficientu prestupu ( cm. Prenosné vlastnosti média), čo vedie k oveľa (ó) vyšším trecím silám ( cm. Turbulentné trenie), toky tepla a hmoty. V mnohých technických aplikáciách je to škodlivé a núti človeka hľadať spôsoby, ako ich znížiť ( cm. napríklad laminarizácia hraničnej vrstvy); v niektorých prípadoch naopak - práve realizácia T. t. vedie k zníženiu aerodynamického odporu karosérie ( cm. kríza odporu). Na druhej strane mnohé technické zariadenia (letecké motory, ejektory a pod.) využívajú v spaľovacích technológiách vysokú intenzitu miešacích procesov a zvýšenú rýchlosť šírenia chemických reakcií (napríklad spaľovania). ...
Podľa O. Reynoldsa sú okamžité hodnoty plyno-dynamických premenných v T. t. rozdelené do 2 členov - priemerná hodnota a jej pulzácia (napríklad zložky ui vektora rýchlosti a sú znázornené vo forme
ui = + u (′) i a tlak
p = + p ",
kde je znamenie<...>označuje hodnotu spriemerovanú v čase, zdvih je jeho zvlnenie). V tomto prípade T. t
E = 3/2 alebo súvisiacej intenzity turbulencie
(ε) = ½/ , integrálna stupnica turbulencie L, ktorá charakterizuje veľkosť vírov obsahujúcich väčšinu energie E alebo vo všeobecnosti všetky možné momenty pulzujúcich veličín, ktoré sú priemernými hodnotami ich produktov -

, ,
a tak ďalej - a vzťahujú sa na všetky možné body v priestorových a časových okamihoch, alebo funkcie hustoty pravdepodobnosti - P (u1), P (u1, u2), atď. Parametre pulzácií sa môžu meniť v širokých medziach. Napríklad v pracovných častiach aerodynamických tunelov v závislosti od ich typu (ε) = 0,01-2 %; na osi dlhých potrubí (ε) = 4-5%, L = (0,03-0,04) d (d - priemer potrubia); v dráhach WFD môžu hodnoty b dosiahnuť 10-20% a L - (0,1-0,3) d.
V roku 1894 získal rovnice pre priemernú rýchlosť (Reynoldsove rovnice)

(i, (α) = 1, 2, 3) a rovnica pre energiu turbulencie. Tu (ρ) je hustota; (ν) - kinematická viskozita; x (α) - súradnice (pod (α) sa myslí súčet); to je čas. Tieto rovnice sa líšia od Navierových - Stokesových rovníc prítomnosťou dodatočných turbulentných napätí (Reynoldsových napätí) τi j = - ρ spôsobených pulzujúcim pohybom. Na rozdiel od molekulárnych napätí, ktoré sú určené lokálnymi charakteristikami spriemerovaného toku, Reynoldsove napätia sú spojené s turbulenciou veľkého rozsahu, a preto v každom bode toku závisia od rozloženia priemernej rýchlosti a vlastností pulzujúceho pohyb v jeho dostatočne veľkom okolí.
Na vyjadrenie Reynoldsových napätí sa často používa pojem turbulentnej viskozity, ktorý zaviedol francúzsky vedec J. Boussinesq v roku 1897. Kinematická turbulentná viskozita (ν) m, na rozdiel od kinematickej molekulovej viskozity (ν), nie je fyzikálnou charakteristikou média, ale je určená štatistickými charakteristikami toku; táto hodnota je premenlivá av niektorých oblastiach toku môže nadobudnúť aj záporné hodnoty. Preto je obraz spriemerovaného pohybu, zákony odporu, prenos tepla atď. pre dráhu prúdenia, napríklad v nejakej dráhe, kvalitatívne odlišný od laminárneho prúdenia v tej istej dráhe.
Pri voľných turbulenciách sa pri prúdových sebepodobných pohyboch pozorujú rovnaké distribúcie strednej rýchlosti a štatistických parametrov turbulencie naprieč prúdením, ktoré sú prakticky nezávislé od (ν). Pre T. t. V blízkosti steny, rovnobežne so smerom prúdenia, existujú aj univerzálne rozdelenia parametrov, ktoré sú určené trecím napätím na stene a hodnotou (ν) („univerzálny zákon steny“, L Prandtl, 1932). V tomto prípade priamo pri stene, kde sú molekulárne napätia oveľa vyššie ako Reynoldsove napätia, existuje lineárna závislosť rýchlosti prúdenia od vzdialenosti od steny a v oblasti blízko steny v kanáloch a vo voľných tokoch. kde prevládajú turbulentné napätia, pozorujeme logaritmickú závislosť (logaritmickú). Rozloženie maximálnych a prúdových rýchlostí v kanáli v jadre prúdenia má tiež univerzálny charakter (“zákon defektu rýchlosti”, T. Karman, 1930). Podobné rozloženie je pozorované vo vonkajšej časti hraničnej vrstvy, avšak na rozdiel od kanála, kde logaritmický profil existuje takmer do stredu, vo vonkajšej časti hraničnej vrstvy, najmä v dôsledku javu prerušovania, je odchýlka od univerzálneho zákona steny, úmerná rozloženiu rýchlosti pre turbulentnú stopu – „zákon stopy“ (D. Coles, 1956).
Základný problém teoretického štúdia T. t. je spojený s otvorenosťou systému pohybových rovníc (počet rovníc je menší ako počet nezávislých premenných). Najmä v Reynoldsových rovniciach je neznáma neznáma medzi turbulentnými napätiami a poľom priemernej rýchlosti. To viedlo k vzniku veľkého počtu semiempirických teórií T. t.; v nich sa na uzavretie presných rovníc pre spriemerované veličiny používajú ďalšie približné vzťahy, vychádzajúce z predpokladu existencie určitých rovnovážnych štruktúr v T. zv.
Teórie, ktoré používajú koncept „zmiešavacích dráh“ – charakteristickú vzdialenosť, pri ktorej objemy kvapaliny strácajú svoju individualitu (Prandtl, 1925; Karman, 1930) – predpokladajú prítomnosť rovnováhy medzi priemerným prietokom a turbulenciou vo veľkom meradle, a preto sú použiteľné. v oblasti univerzálneho múrového zákona, sebepodobné režimy prúdenia a pod.. Rôzne modifikácie takzvaného dvojparametrového modelu turbulencie, ktorý prvýkrát navrhol sovietsky vedec AN Kolmogorov a využívajúce rovnice pre E a L alebo ich kombináciu , majú širokú škálu aplikácií
(ν) τ Turbulentné prúdenie (EL) ½.
Teórie, ktoré používajú rovnice priamo pre turbulentné napätia (napríklad teória I. Rotta, 1951) sú platné pre toky, v ktorých sú hodnoty pulzácií a veľkosti vírov výrazne rozdielne v smeroch (neizotropné) - keď turbulentné prúdenie okolo telies, prúdenie v kanáloch s premenlivým prierezom, pri pôsobení elektrických a magnetických síl atď.
Semiempirické teórie pri použití počítača umožňujú vypočítať množstvo prakticky dôležitých teoretických metód, avšak nedostatočná univerzálnosť takýchto teórií a potreba použitia empirických koeficientov či dokonca funkcií v nich vyvoláva potrebu kombinovať pri riešení experimentálne a teoretické metódy. aplikované problémy.

Letectvo: Encyklopédia. - M .: Veľká ruská encyklopédia. Hlavný redaktor G.P. Sviščev. 1994 .

Pozrite si, čo je „turbulentné prúdenie“ v iných slovníkoch:

- (z latinského turbulentus, prudký, neusporiadaný), forma prúdu kvapaliny alebo plynu, keď roj svojich prvkov vykonáva nestabilné pohyby pozdĺž zložitých trajektórií, čo vedie k intenzívnemu miešaniu medzi vrstvami kvapaliny alebo plynu (pozri ... . .. Fyzická encyklopédia

- (z latinského turbulentus turbulentný, neusporiadaný), prúdenie kvapaliny alebo plynu, v ktorom častice kvapaliny vykonávajú neusporiadané, chaotické pohyby pozdĺž zložitých trajektórií a rýchlosť, teplota, tlak a hustota média zažívajú ... .. . Moderná encyklopédia- (z latinského turbulentus turbulentný, neusporiadaný), prúdenie kvapaliny alebo plynu, v ktorom častice kvapaliny vykonávajú neusporiadané, chaotické pohyby pozdĺž zložitých trajektórií a rýchlosť, teplota, tlak a hustota média zažívajú ... .. . Ilustrovaný encyklopedický slovník

Mechanika kontinua Spojité médium Klasická mechanika Zákon zachovania hmoty · Zákon zachovania hybnosti ... Wikipedia