Возникновение турбулентного течения

О. Рейнольдс, изучая движение воды в круглых цилиндрических трубах, выявил наличие двух режимов течения жидкости: ламинарного и турбулентного.

При ламинарном (слоистом) режиме течения частицы жидкости движутся по полностью определенными траекториями. При этом, как показал анализ результатов решений, приведенных выше, общие закономерности ламинарного течения жидкости хорошо описываются уравнением Навье-Стокса.

Но при определенных условиях с увеличением скорости ламинарное движение теряет свою устойчивость, при этом начальные раздражение, развиваясь, приводят к новой форме движения, которая представляет собой хаотическое движение масс жидкости. Процесс возникновения и развития такого режима движения носит случайный характер и требует для своего изучения статистического подхода. Эта широко распространенная в природе форма движения называется турбулентной течению.

Рейнольдс показал, что переход от одного режима течения к другому происходит при определенном значении числа Re. Так, на основании многочисленных опытов было установлено, что течение жидкости в круглых трубах всегда носит ламинарный характер, если Re ? 2200, где Re = wcpd / ?; d - диаметр трубы; wcp - средняя скорость.

При этом течение устойчива по отношению к любым раздражений. Названное цифровое значение числа Re называется критическим числом Рейнольдса (Reкр) и определяет нижнюю границу ламинарного течения. Опытным путем не удалось получить определенное значение числа Re для верхней границы, потому что эта граница при создании специальных искусственных условиях (плавного входа, гладкой поверхности и др.). Многократно менялись до Re = 5.104.

В переходной области Reкр <Re <5.104 течение неустойчиво и любое, даже очень мало, раздражение приводит к возникновению турбулентного режима движения.

Тщательное исследование движения жидкости в трубах при Re ~ Reкр показало, что в одном и том же сечении трубы происходит чередование ламинарного и турбулентного режимов течения. Это явление носит название "перемежаемости". Причина "перемежаемости" кроется в том, что турбулентность зарождается в дискретных областях потока в виде пробок, протяженность которых зависит от числа Re. Для количественной меры "перемежаемости" служит коэффициент перемежаемости ?, который представляет собой долю времени существования турбулентного течения в данном сечении трубы.

На рис.6.25 приведены диаграммы пульсации продольной составляющей скорости в переходной области (Rex = 2.106, степень турбулентности внешнего потока ? = 0,0025%) для точек, находящихся внутри пограничного слоя. На диаграммах четко различаются чередуя области турбулентного и ламинарного движения жидкости. Переходные явления в пограничном слое кроме числа Re и степени турбулентности внешнего потока зависят еще и от таких факторов, как изменение давления на внешней границе пограничного слоя, состояния поверхности, поперечного потока вещества, сжимаемости и неизотермичности.