Энциклопедия техники

Турбулентное течение

Турбулентное течение
Турбулентное течение
течение жидкости или газа, характеризующееся беспорядочным, нерегулярным перемещением его объёмов и их интенсивным перемешиванием (см. Турбулентность), но в целом имеющее плавный, регулярный характер. Образование Т. т. связано с неустойчивостью ламинарного течения при больших Рейнольдса числах (см. Переход ламинарного течения в турбулентное). При исследовании Т. т. различают пристенные течения (турбулентный пограничный слой, течения в трубах и каналах) и свободные течения (турбулентные струи, следы аэродинамические, слои смешения).
Т. т. имеют широкое распространение в природных явлениях и технических устройствах и характеризуются огромными по сравнению с ламинарными течениями значениями коэффициента переноса (см. Переносные свойства среды), что приводит к гораздо б(ó)льшим силам трения (см. Турбулентное трение), тепловым и массовым потокам. Во многих технических приложениях это является вредным и заставляет искать пути для их снижения (см., например, Ламинаризация пограничного слоя); в некоторых случаях наоборот — именно реализация Т. т. приводит к уменьшению аэродинамического сопротивления тела (см. Кризис сопротивления). С другой стороны, многие технические устройства (авиационные двигатели, эжекторы и т. п.) используют высокую интенсивность процессов перемешивания и повышенную скорость распространения химических реакций (например, горения) в Т. т. Закономерности Т. т. часто определяют предел совершенствования технических устройств.
Следуя О. Рейнольдсу, мгновенные значения газодинамических переменных в Т. т. разбивают на 2 слагаемых — осреднённую величину и её пульсацию (например, компонент ui вектора скорости и представляется в виде
ui = +u(′)i, а давление
р = <р>+р',
где знак <...> обозначает величину, усреднённую по времени, штрих — её пульсацию). В этом случае Т. т. определяется, с одной стороны, полем осреднённых газодинамических переменных и, с другой стороны, статистическими параметрами пульсаций — кинетической энергией пульсаций
E = 3<(u(′))2>/2 или связанной с ней интенсивностью турбулентности
(ε) = <(u(′))2>½/, интегральным масштабом турбулентности L, характеризующим размер вихрей, содержащих основную долю энергии Е или, в общем случае, всевозможными моментами пульсирующих величин, являющихся осреднёнными значениями их произведений —
, ,
и т. д. — и относящихся к всевозможным точкам пространства и моментам времени, или функциям плотности вероятности — Р(u1), Р(u1, u2) и т. д. Параметры пульсаций могут меняться в широких пределах. Например, в рабочих частях аэродинамических труб в зависимости от их типа (ε) = 0,01—2%; на оси длинных трубопроводов (ε) = 4—5%, L = (0,03—0,04)d (d — диаметр трубы); в трактах ВРД значения в могут достигать 10—20%, а L — (0,1—0,3)d.
В 1894 Рейнольдс получил уравнения для осреднённой скорости (уравнения Рейнольдса)
(i, (α) = 1, 2, 3) и уравнение для энергии турбулентности. Здесь (ρ) — плотность; (ν) — кинематическая вязкость; x(α) — координаты (по (α) подразумевается суммирование); t — время. Эти уравнения отличаются от Навье — Стокса уравнений наличием дополнительных турбулентных напряжений (напряжений Рейнольдса) τi j = - ρ
(i, (α) = 1, 2, 3) и уравнение для энергии турбулентности. Здесь (ρ) — плотность; (ν) — кинематическая вязкость; x(α) — координаты (по (α) подразумевается суммирование); t — время. Эти уравнения отличаются от Навье — Стокса уравнений наличием дополнительных турбулентных напряжений (напряжений Рейнольдса) τi j = - ρ, обусловленных пульсационным движением. В отличие от молекулярных напряжений, которые определяются локальными характеристиками осреднённого течения, напряжения Рейнольдса связаны с крупномасштабной турбулентностью и поэтому в каждой точке течения зависят от распределения осреднённой скорости и особенностей пульсационного движения в достаточно большой её окрестности.
Часто для представления напряжений Рейнольдса привлекается понятие турбулентной вязкости, введённое французским учёным Ж. Буссинеском в 1897. Кинематическая турбулентная вязкость (ν)т в отличие от кинематической молекулярной вязкости (ν) не является физической характеристикой среды, а определяется статистическими характеристиками потока; эта величина переменная и в некоторых областях течения может даже принимать отрицательные значения. Поэтому картина осреднённого движения, законы сопротивления, теплообмена и т. д. для Т. т., например в каком-либо тракте, качественно отличаются от ламинарных течений в этом же тракте.
В свободных Т. т. для струйных автомодельных движений наблюдаются одинаковые распределения средней скорости и статистических параметров турбулентности поперёк потока, которые практически не зависят от (ν). Для Т. т. около стенки, параллельной направлению потока, также существуют универсальные распределения параметров, определяющиеся напряжением трения на стенке и значением (ν) («универсальный закон стенки», Л. Прандтль, 1932). При этом непосредственно вблизи стенки, где молекулярные напряжения много больше напряжений Рейнольдса, имеет место линейная зависимость скорости потока от расстояния до стенки, а в пристеночной области в каналах и в свободных течениях, где преобладают турбулентные напряжения, наблюдается логарифмическая зависимость (логарифмический пограничный слой). Распределение максимальной и текущей скоростей в канале в ядре потока также носит универсальный характер («закон дефекта скорости», Т. Карман, 1930). Аналогичное распределение наблюдается и во внешней части пограничного слоя, однако в отличие от канала, где логарифмический профиль существует почти до его центра, во внешней части пограничного слоя главным образом из-за явления перемежаемости имеет место отклонение от универсального закона стенки, пропорциональное распределению скорости для турбулентного следа — «закон следа» (Д. Коулс, 1956).
Принципиальная трудность теоретического исследования Т. т. связана с незамкнутостью системы уравнений движения (число уравнений меньше числа независимых переменных). В частности, в уравнениях Рейнольдса неизвестна связь между турбулентными напряжениями и полем осреднённой скорости. Это привело к появлению большого числа полуэмпирической теорий Т. т.; в них для замыкания точных уравнений для осреднённых величин используются дополнительные приближённые соотношения, основанные на предположении о существовании тех или иных равновесных структур в Т. т.
Теории, использующие понятия «пути смешения» — характерного расстояния, на котором объёмы жидкости теряют индивидуальность (Прандтль, 1925; Карман, 1930), — предполагают наличие равновесия между осреднённым течением и крупномасштабной турбулентностью и поэтому применимы в области универсального закона стенки, автомодельных режимов течения и т. д. Большую область применения имеют различные модификации так называемые двухпараметрические модели турбулентности, впервые предложенной советский учёным А. Н. Колмогоровым и использующей уравнения для Е и L или их комбинации, при этом
(ν)τ Турбулентное течение (EL)½.
Теории, использующие уравнения непосредственно для турбулентных напряжений (например, теория И. Ротта, 1951), справедливы для течений, в которых значения пульсаций и размеры вихрей существенно различны по направлениям (неизотропная турбулентность) — при обтекании тел турбулентным потоком, течениях в каналах переменного сечения, при действии электрических и магнитных сил и т. д.
Полуэмпирические теории при использовании ЭВМ позволяют рассчитывать многие практически важные Т. т., однако недостаточная универсальность таких теорий и необходимость использования в них эмпирических коэффициентов или даже функций обусловливают необходимость при решении прикладных задач сочетания экспериментальных и теоретических методов.
Авиация: Энциклопедия. — М.: Большая Российская Энциклопедия 1994

См. также `Турбулентное течение` в других словарях
ТУРБУЛЕНТНОЕ ТЕЧЕНИЕ (от латинского turbulentus - бурный, беспорядочный), течение жидкости или газа, при котором частицы жидкости совершают неупорядоченные, хаотические движения по сложным траекториям, а скорость>, температура, давление> и плотность> среды испытывают хаотические флуктуации>. Отличается от ламинарного течения интенсивным перемешиванием, теплообменом, большими значениями коэффициент> трения и пр. В природе и технике большинство течений жидкости и газов - турбулентные течения.
Турбулентное течение
(от лат. turbulentus - бурный, беспорядочный * a. turbulent flow; н. Wirbelstromung; ф. ecoulement turbulent, ecoulement tourbillonnaire; и. flujo turbulento, corriente turbulenta) - движение жидкости или газа, при котором образуются и разрушаются вихри различных размеров.
T. т. возникает при движении жидкости (газа) вблизи твёрдых поверхностей (пристеночная турбулентность) или при взаимодействии струй жидкости (газа) друг c другом (свободная турбулентность). B природе и технике T. т. встречается часто. Движения газов в атмосфере планет, плазмы в космич. объектах, воды в реках, морях и океанах имеют турбулентный характер. Движение разл. сред в трубопроводах, соплах двигателей, насосах и др. устройствах тоже, как правило имеют турбулентную структуру. При T. т. молекулы вовлекаю...
ТУРБУЛЕНТНОЕ ТЕЧЕНИЕ

(от лат. turbulentus - бурный, беспорядочный) течение жидкости (или газа), при к-ром частицы жидкости совершают неустановившиеся беспорядочные движения по сложным траекториям. При Т. т. скорость жидкости и её давление в каждой точке потока хаотически изменяются. В отличие от ламинарного течения, при Т. т. происходит интенсивное перемешивание движущейся жидкости. Т. т. возникает в результате потери устойчивости ламинарного течения, наступающей при значениях Рейнольдса числа выше критического, характерного для данных условий течения. Напр., при течении жидкостей в круглых трубах ReK ~ 2300.

Большой энциклопедический политехнический словарь 2004<...
Турбулентное течение (от лат. turbulentus — бурный, беспорядочный)
форма течения жидкости или газа, при которой их элементы совершают неупорядоченные, неустановившиеся движения по сложным траекториям, что приводит к интенсивному перемешиванию между слоями движущихся жидкости или газа (см. Турбулентность). Наиболее детально изучены Т. т. в трубах, каналах, пограничных слоях около обтекаемых жидкостью или газом твёрдых тел, а также так называемых свободные Т. т. — струи (См. Струя), следы за движущимися относительно жидкости или газа твёрдыми телами и зоны перемешивания между потоками разной скорости, не разделёнными какими-либо твёрдыми стенками. Т. т. отличаются от соответствующих ламинарных течений (См. Ламинарное течение) как своей сл...
ТУРБУЛЕНТНОЕ ТЕЧЕНИЕ
(вихревое движение жидкости) течение жидкости (или газа), при котором происходит интенсивное перемешивание частиц (весьма малых объемов среды), движущихся по самым беспорядочным траекториям.

Словарь по гидрогеологии и инженерной геологии. — М.: Гостоптехиздат. . 1961.

ТУРБУЛЕНТНОЕ ТЕЧЕНИЕ
ТУРБУЛЕНТНОЕ ТЕЧЕНИЕ, в физике - движение текучей среды, при котором происходит беспорядочное перемещение ее частиц. Характерно для жидкости или газа с высоким ЧИСЛОМ РЕЙНОЛЬДСА. см. также ЛАМИНАРНОЕ ТЕЧЕНИЕ
Научно-технический энциклопедический словарь
(от лат. turbulentus - бурный, беспорядочный * a. turbulent flow; н. Wirbelstromung; ф. ecoulement turbulent, ecoulement tourbillonnaire; и. flujo turbulento, corriente turbulenta) - движение жидкости или газа, при котором образуются и разрушаются вихри различных размеров. T. т. возникает при движении жидкости (газа) вблизи твёрдых поверхностей (пристеночная турбулентность) или при взаимодействии струй жидкости (газа) друг c другом (свободная турбулентность). B природе и технике T. т. встречается часто. Движения газов в атмосфере планет, плазмы в космич. объектах, воды в реках, морях и океанах имеют турбулентный характер. Движение разл. сред в трубопроводах, соплах двигателей, насосах и др. устройствах тоже, как правило имеют турбулентную структуру. При T. т. молекулы вовлекаются в согласованное д...
(от лат. turbulentus - бурный, беспорядочный), форма течения жидкости или газа, при к-рой их элементы совершают неустановившиеся движения по сложным траекториям, что приводит к интенсивному перемешиванию между слоями жидкости или газа (см. ТУРБУЛЕНТНОСТЬ). Наиболее детально изучены Т. т. в трубах, каналах, пограничных слоях около обтекаемых жидкостью или газом тв. тел, а также т. н. свободные Т. т.- струи, следы за движущимися относительно жидкости или газа тв. телами и зоны перемешивания между потоками разной скорости, не разделёнными к.-л. тв. стенками. Т. т. в каждом из перечисленных случаев отличается от соответствующего ему ламинарного течения как своей сложной внутр. структурой (рис. 1), так и распределением
ТУРБУЛЕНТНОЕ ТЕЧЕНИЕ1
Рис. 1. Турбулентное течение.
осреднённой скорости по сечению потока (рис. 2) и интегральными хар-ками - зависимостью средней по сеч...
ТУРБУЛЕНТНОЕ ТЕЧЕНИЕ

(от лат. turbulentus - бурный, беспорядочный), течение жидкости или газа, при к-ром их частицы совершают неупорядоченные, хаотич. движения по сложным траекториям, что приводит к перемешиванию слоев. Скорость, темп-pa, давление и плотность среды испытывают хаотич. флуктуации. Т. т. устанавливается при Рейнолъдса числах Re, бблыдих нек-рого критич. ReKp, и отличается от ламинарного течения интенсивным перемешиванием, теплообменом, бблыпими значениями коэф. трения и пр. В природе и технике большинство течений жидкостей и газов -Т. т.

Естествознание. Энциклопедический словарь
ТУРБУЛЕНТНОЕ ТЕЧЕНИЕ (от лат turbulentus - бурный - беспорядочный), течение жидкости или газа, при котором частицы жидкости совершают неупорядоченные, хаотические движения по сложным траекториям, а скорость, температура, давление и плотность среды испытывают хаотические флуктуации. Турбулентное течение устанавливается при Рейнольдса числах Re, больших некоторого критического Reкр, и отличается от ламинарного течения интенсивным перемешиванием, теплообменом, большими значениями коэффициента трения и пр. В природе и технике большинство течений жидкостей и газов - турбулентные течения.