Турбулентное движение жидкости

Особенности турбулентного движения жидкости. Пульсация ско­ростей и давлений. Распределение осредненных скоростей по сечению. Касательные напряжения в турбулентном потоке. Потери напора в трубах. Формула Дарси-Вейсбаха и коэффициент потерь на трение по длине (коэффициент Дарси). Шероховатость стенок абсолютная и относи­тельная. Графики Никурадзе и Мурина. Гидравлически гладкие и шероховатые трубы. Формулы для определения коэффициента Дарси и область их применения. Турбулентное движение в некруглых трубах.

Методические указания

Турбулентный поток характеризуется беспорядочным, хаотичным движением частиц жидкости. Из-за сложности явлений до сих пор не создано достаточно удовлетворительной теории турбулентного дви­жения, которая непосредственно вытекала бы из основных уравнений гидродинамики и хорошо подтверждалась опытом (как для ламинар­ного движения). Поэтому все выводы и расчетные соотношения полу­чены экспериментально и в результате теоретического исследования упрощенных моделей турбулентного течения.

Прежде всего, следует уяснить механизм турбулентного переме­шивания и пульсации скоростей. Далее рассмотрите структуру и физи­ческую природу касательных напряжений, которые определяются как сумма напряжений, вызванных действием сил вязкости и обусловлен­ных турбулентным перемешиванием. Определение последних основано на полуэмпирических теориях Прандтля и Кармана, получивших даль­нейшее развитие в трудах советских ученых.

Потери на трение по длине определяются по формуле Дарси, ко­торая может быть получена из соображений размерности.

Центральным вопросом темы является определение коэффициента гидравлического трения   в формуле Дарси-Вейсбаха. В общем случае коэффи­циент   является функцией числа Рейнольдса Re и относительной шеро­ховатости

где — абсолютная шероховатость; d —диаметр трубы.

Наиболее полно зависимость (3) раскрывается графиком Нику­радзе, который получен экспериментально на трубах с искусственной зернистой равномерной шероховатостью. На графике можно выделить пять зон, каждая из которых характеризуется определенной внутрен­ней структурой потока и в соответствии с этим определенной зависи­мостью  от Re и .

1 Зона изменения Re от 0 до 2320. Ламинарный режим потока. Здесь . По формуле Пуазейля коэффициент Дарси

- для круглых труб                              (4),

- для квадратных труб                  

2 Зона изменения Re от 2320 до ~ 4000. Неустойчивая зона пере­межающейся турбулентности, когда на отдельных участках возникают области турбулентного режима, которые разрастаются, а затем исчезают и снова появляются. Изменение структуры потока сопровождается колебаниями величины . Зона не рекомендуется для применения в гидравлических системах.

3 Зона чисел Re от ~ 4000 до , где отношение  называют относительной гладкостью, а - эквивалентной шероховатостью. Поток характеризуется турбулентным ядром и пристенным (пограничным) ламинарным слоем, который затапливает шероховатости внутренней поверхности трубы, ввиду чего коэффициент   не зависит от   и зависит только от Re. Здесь трубы работают как «гидравлически гладкие». Можно использовать формулу Блазиуса

 (5)

4   Зона, в которой .Пределы зоны определяются соотношением . Переходная зона относится к «гидравличе­ски шероховатым» трубам. Пристенный ламинарный слой равен (или меньше) высоте выступов шероховатости.

5 Зона больших чисел   и, следовательно, интенсивной турбулентности. Трубы «гидравлически шероховатые». Коэффици­ент   не зависит от Re и является функцией только .

Как показали более поздние исследования, результаты экспери­ментов Никурадзе для «гидравлически шероховатых» труб нельзя пере­нести на трубы с естественной шероховатостью. Оказалось, что в четвертой и пятой зонах общий характер зависимости (3) сохраняет­ся, но вид кривых на графике для различных типов шероховатостей получается различным, т. е. на коэффициент   влияет не только величина , но и характер шероховатости стенок труб. Для реальных технических труб с естественной шероховатостью для определения   в четвертой зоне может быть рекомендована формула Альтшуля

                     (6),

а для пятой зоны - формула Шифринсона

 (7)

Здесь  - эквивалентная абсолютная шероховатость, т. е. такая равно­мерная зернистая шероховатость Никурадзе, которая при расчетах дает такой же коэффициент   ,как и естественная шероховатость.

Отметим, что при малых числах  формула (6) переходит в формулу (5) для гидравлически гладких труб, а при больших   обращается в формулу (7) для вполне «гидравличе­ски шероховатых» труб.

Вместо расчетных формул (5), (6) и (7) для определения  можно пользоваться графиком Г. А. Мурина.

Литература: [1, с. 93-98]; [2, с. 95-106]; [3, с. 108-127]; [4, с. 74-82]; [5, с. 98-111];

[6, с. 226-265]; [7, с. 121 -130]; [9, с. 37-38].

Вопросы для самопроверки

1 В чем отличие турбулентного течения от ламинарного? 2 Чем отличается распределение скоростей в цилиндрическом трубопроводе при ламинарном и турбулентном режимах движения жидкости? При каком режиме имеет место большая неравномерность скоростей и по­чему? 3 Объясните понятие «гладкие» и «шероховатые» поверхности. Может ли одна и та же труба быть «гидравлически гладкой» и «гид­равлически шероховатой»? В каком случае? 4 Объясните основные линии и зоны сопротивления на графике Никурадзе. 5 Какова зави­симость между потерей напора и средней скоростью течения жидкости в различных зонах и линиях на графике Никурадзе? 6 От каких факторов зависит коэффициент гидравлического трения при турбулент­ном течении и по каким формулам его можно определить? 7 Каковы особенности расчета потерь на трение по длине для некруглых трубо­проводов?