Двухслойная модель турбулентного потока.

Особенностью турбулентного режима движения является перемешивание частиц жидкости. Интенсивность перемешивания возрастает с увеличением числа Рейнольдса. Структура потока жидкости в прямолинейной цилиндрической трубе круглого сечения может быть представлена в виде приближенной двухслойной схемы (рис11.3).

Рис.11.3. Двухслойная модель турбулентного потока.

На твердой стенке скорости, в том числе и пульсационные равны нулю. Вблизи стенки находится тонкий слой δ, в этом слое преимущественно имеются касательные напряжения, рассчитанные по закону Ньютона. Этот слой называется вязким подслоем (или ламинарным подслоем) потока, скорость в этом подслое увеличивается линейно от нуля до некоторой величины v_л.п. Остальная часть потока занята турбулентным ядром, где происходят интенсивные пульсации скорости.

Турбулентное течение является неустановившимся, так как траектории, местные скорости и давления частиц изменяются во времени,

Для расчетов и теоретических выкладок скорости и давленияусредняют.Если усредненные значения скоростей и давлений потока мало изменяются во времени, турбулентное течение считают установившимся.

Усредненныескорости при турбулентном режиме теченияраспределены по сечению трубопровода более равномерно в сравнении с ламинарным режимом.

Коэффициент (рис.11.4) Кориолиса , учитывающий неравномерность распределения скоростей в уравнении Бернулли, при турбулентном течении меньше, чем при ламинарном режиме. При ламинарном режиме течения коэффициент Кориолиса не зависит от Re и близок к числу два,при турбулентном течении близок к единице.

Поскольку при турбулентном течении отсутствует слоистость потока и происходит перемешивание жидкости, касательное напряжение τ на стенке трубы в турбулентном потоке больше, чем при ламинарном, благодаря перемешиванию.

Рис.11.4 Профили скоростей при турбулентном и ламинарном режиме течения(а), коэффициент Кориолиса (б) в функции числа Рейнольдса.

ПриRe>Re_крпотериэнергии на трение по длине значительно больше при турбулентном режиме движения, чем при ламинарном при тех же размерах трубы, расходе и вязкости жидкости.

При ламинарном режиме потери напора на трение возрастают пропорционально скорости в первой степени, а при переходе к турбулентному течению заметен скачок сопротивления и потери увеличиваются пропорционально квадрату скорости (рис.11.5).

В виду сложности турбулентного течения и трудностей его аналитического исследования до настоящего времени не имеется строгой и точной его теории. Расчеты потерь при турбулентном движении жидкости ведут по уравнению Бернулли и усредненным скоростям.

Рис.11.5. Зависимость потерь на трения для ламинарного,

переходного и турбулентного режимов