Режимы течения вязкой среды. Пограничный слой

7.1. Особенности ламинарного и турбулентного

обтекания профилей

Различают ламинарный (lamina - слой) и турбулентный (turbo - вихрь, вращение) режимы течения рабочей среды. Промежуточным между ус­тойчивым ламинарным и развитым турбулентным является переходный режим течения. Для характе­ристики границ режимов используется чис­ло Рейнольдса как мера соотношения сил инерции и вязкости в движущейся среде

,                                         (7.1)

где скорость текучей среды, м/с; характерный размер потока, м; плотность среды, кг/м³; коэффициент кинематической вязкости, м²/с; коэффициент динамической вязкости среды, Па×с.

При ламинарном режиме течение являет­ся упорядоченным, когда линии тока формируются на основе слоистого характера движения среды. При этом перенос различных субстанций из одного слоя в другой определяется молеку­лярными механизмами и касательное напряжение вычисляется по формуле Ньютона

                                          (7.2),

где  поперечный градиент скорости, 1/с.

На рис.7.1 показана картина обтекания сим­метричного профиля потоком газа с ламинарным режимом течения.

Рис.7.1. Картина обтекания симметричного профиля лами­нарным потоком (Re = 7×10³)

Устойчивость ламинарного режима течения нарушается при увеличении числа Рейнольдса, на­чиная с некоторого критического значения , происходит турбулизация потока. Для течений в трубах =2300, а при продольном обтекании пластины =(3...5)×10⁵.

7.2. Турбулентные пульсации

Переход от ламинарного к развитому турбулентному течению характеризуется перемежающейся структурой по­тока с появлением вихревых образований, опреде­ляющих нестационарность движущейся среды. Ре­зультатом хаотического движения молей, участвующих в турбулентном переме­шивании, являются пульсации их скорости. Пульсационное движение молей, в свою очередь, является источником пульсации давления, температуры, плотности. Мерой ин­тенсивности пульсации служит степень турбулент­ности потока. Для случая изотропной турбулентно­сти, когда во всех направлениях пульсации скоро­сти одинаковы, степень турбулентности

                                                                                 (7.3)

где среднее квадратичное значение пульсации продольной составляющей скорости среднее значение скорости турбулентного потока.

В общем случае при наличии всех компонент пульсационной составляющей скорости  внешне­го потока степень его турбулентности характеризу­ется числом Кармана:

                                                    (7.4)

Диапазон существования переходного режима по числу Re при обтекании пластины ( ) показан на рис.7.2.

Значения чисел  зависят от формы и размеров каналов, степени шероховатости их стенок, а также ряда случайных возмущающих факторов. Сжимаемость рабочей среды при числе Маха оказывает слабое воздействие на механизмы турбулизации течения. Поскольку диа­пазон по числу Re переходной формы режима (пере­межающееся течение) мал, зачастую при решении практических задач принимают, что ламинарный ре­жим течения сразу переходит в турбулентный.

Весь текст с формулами в архиве