Турбулентное течение

1. Турбулентное течение

Лекция 6

2. Турбулентные вихри

Рисунок Леонардо да Винчи

3. Понятие турбулентности

Re = 10
Re = 140
Re = 20
Обтекание круглого цилиндра при
числах Рейнольдса Re

4. Понятие турбулентности

Волны на поверхности и
течение за решеткой

5. Понятие турбулентности

Волны на поверхности
Акустические волны в пространстве
Течение за решеткой
Пограничный слой на выпуклой
поверхности

6. Понятие турбулентности

Смешанный характер течения:
Течение в круглой затопленной струе

7. Когерентные структуры

Турбулентность возникает на фоне упорядоченного движения.
Когерентные структуры – это крупные, относительно упорядоченные
структуры. Характерны для большинства турбулентных течений.
Упорядоченное
течение
Обтекание круглого цилиндра при числе Рейнольдса 104

8. Разнообразие турбулентных течений

Обтекание цилиндра
Извержение
Затопленная
струя
Пограничный слой на плоской стенке
След за островом
в океане
Галактические облака

9. Разнообразие турбулентных течений

• Все эти турбулентные течения имеют общие
свойства:
- Трехмерный нестационарный характер;
- Наличие в потоке как крупных (когерентных)
структур, так и очень мелких хаотичных структур.

10. Определение турбулентности

Турбулентность – это трехмерное нестационарное движение
жидкости, в котором вследствие растяжения вихрей создается
непрерывное распределение хаотических пульсаций параметров
потока в интервале длин волн от минимальных, определяемых
вязкими силами, до максимальных, определяемых граничными
условиями течения. [П. Брэдшоу]

11. Признаки турбулентных течений

• Нерегуляроность
Турбулентное течение нерегулярно, случайно и хаотично.
• Диффузность
В турбулентном течении диффузия выше, чем в ламинарном.
• Высокое число Рейнольдса
Турбулентное течение встречается при высоких числах
Рейнольдса.
• Трехмерность
Турбулентность всегда трехмерна.
• Диссипативность
Энергия наиболее мелких вихрей переходит в тепло.
• Неразрывность
Размер наиболее мелких вихрей намного больше длины
свободного пробега молекул среды.
Эти вихри могут быть рассмотрены в рамках механики
сплошной среды.

12. Определение характера течения

1. Визуально
Введение примесей
Теневые фотографии

13. Определение характера течения

2. При помощи измерений
Измерения
Вносит
дополнительное
возмущение в поток.
Обладает большим временем
релаксации,
непригодна
для
измерения турбулентных потоков.

14. Определение характера течения

• Термоанемометрия
Можно связать силу электрического
тока и скорость потока
«+» Малая инерционность, высокая чувствительность и точность,
компактность прибора

15. Определение характера течения

Лазерная доплеровская анемометрия (ЛДА) – оптический метод
измерения направления и скорости движения скорости частиц в потоке
(размер частиц 0,5…20 мкм).
Измеряя сдвиг частоты рассеянного света определяется
скорость частиц (которая равна скорости потока).

16. Перемежаемость

Перемежаемость – явление чередования ламинарной и турбулентной
форм движения.
Если провести измерения в точке потока
за цилиндром, то получится следующая
картина
Коэффициент перемежаемости:
t1
t2

17. Понятие средней величины и пульсации

Турбулентные структуры существуют на фоне «основного»
движения, например, однородного потока или неподвижной
среды.

18. Понятие средней величины и пульсации

19. Оценка интенсивности турбулентности

Картина кинетической энергии турбулентности

20. Различие между ламинарным и турбулентным потоком

1. В турбулентном потоке имеют место
хаотические
пульсации
основных
газодинамических переменных: давления,
температуры, плотности, скорости и т.д.
2. Пульсации (в первую очередь скорости)
обеспечивают перенос импульса, энергии
и т.д. Этот перенос намного превосходит
молекулярный перенос.
3. Происходит существенное изменение
всех основных характеристик течения.
4. При расчете нельзя
влияние турбулентности.
игнорировать
Напряжение трения на стенке
в пограничном слое

21. Необходимость создания надежных методов расчета турбулентных течений

Необходимы надежные методы расчета турбулентных течений

22. Основные вопросы

Почему происходит переход?
Когда и как он переходит (сценарий перехода)?
Как моделировать переход при проведении расчетов?
Первым вопросом занимается теория динамического хаоса – один
из основных разделов синергетики (науки о самоорганизации).
Неустойчивость – признак того, что такая форма движения не
может больше существовать. Должна появится новая форма
движения.
Стационарное
безотрывное
Стационарное
отрывное
Нестационарное
упорядоченное
Турбулентное
Изменение структуры течения при различных числах Рейнольдса

23. Когда происходит переход к турбулентности?

При значениях числа Рейнольдса, превышающих некоторое
критическое значение, упорядоченное стационарное движение газов и
жидкостей (ламинарное движение) теряет устойчивость и становится
турбулентным.

24. Почему возникает турбулентность?

• Число Рейнольдса характеризует соотношение сил инерции
(конвекции) и вязкости в рассматриваемом течении. Конвекция
дестабилизирует течение, а вязкие силы стабилизируют.
• Объемные
силы
также
могут
стабилизировать
или
дестабилизировать течение:
- Температурная стратификация;
- Центробежная сила.
Увеличение числа Рейнольдса (превышение Reкр)
Потеря устойчивости
Развитие пульсаций
Переход к развитому
турбулентному режиму течения
Потеря устойчивости потока зависит от вида течения, так и множества других
факторов.
Не существует «универсального» числа Рейнольдса перехода.
Вопросами определения границ устойчивости занимается теория устойчивости.

25. Сценарий естественного перехода в пограничном слое

(проникновение нестационарных возмущений из
внешнего потока в пограничный слой)

26.

27. Выводы

28. Заключение