Турбулентное и ламинарное движения

В зависимости от характера движения различают ла­минарное (или слоистое) и турбулентное (или вихреобразное) движения газов. Ламинарным называется такое движение, при котором струйки газа перемещаются парал­лельно одна другой, не пересекаясь.

Характерной особенностью ламинарного движения яв­ляется параболическое распределение скоростей по сече­нию потока, обусловленное трением о поверхность приле­гающего к ней слоя газа и последующих слоев друг о друга (рис.3).

При турбулентном режиме в потоке возникает множе­ство вихрей, что приводит к интенсивному перемешиванию газа. Распределение скоростей при этом более равномерно и имеет вид усеченной параболы.

Пределы существования ламинарного и турбулентного Движения были установлены Рейнольдсом (1883 г.), кото­рый показал, что характер движения зависит от соотноше­ния сил инерции и сил внутреннего трения, то соотношение характеризуется безразмерным комплексом, назван­ным впоследствии критерием Рейнольдса: Rе = wd _г/ v, где d _г —гидравлический диаметр канала, d _г =4F/П (здесь F — площадь сечения; П — периметр).

Установлено, что ламинарное течение имеет место при малых значениях критерия Рейнольдса, а турбулентное при относительно более высоких. Так, для случая течения жидкости в круглых трубах при Rе < 2100 поток ламинарен, при Rе > 2300 поток турбулентен. Из структуры кри­терия Рейнольдса видно, что турбулизации потока способ­ствуют увеличение скорости и диаметра канала и препятс­твует увеличение коэффициента кинематической вязкости. При течении какой-то вполне определенной жидкости (га­за) по каналу постоянного сечения характер потока зави­сит исключительно от скорости. При увеличении скорости поток может перейти из ламинарного в турбулентный, и наоборот.

Если обратить внимание на эпюру распределения ско­ростей при турбулентном пристеночном движении (см. рис. 3), то видно, что все сечение потока может быть раз­делено на две далеко не равные части: очень тонкий, при­стеночный пограничный слой и основная часть потока. В пределах пограничного слоя резко изменяется (уменьша­ется к поверхности) скорость, а в пределах основного по­тока скорость практически неизменна.

Таким образом, при турбулентном движении основной части потока, где скорость практически неизменна, харак­терно отсутствие трения, т. е. в этой части потока вязкость среды на движение не влияет и можно применять законо­мерности, полученные для идеальной среды. Это обстоя­тельство является одной из причин целесообразности ис­пользования понятия идеальной среды, с помощью которо­го получено много практических решений, в частности в аэродинамике. Вместе с тем в тех случаях, когда нельзя ограничиться рассмотрением только основной части турбу­лентного потока, приходится анализировать картину явлений в пограничном слое на основе теории пограничного слоя, получившей к настоящему времени значительное развитие.

При ламинарном движении пограничный слой всегда ламинарен.

Пограничный слой оказывает большое влияние не толь­ко на характеристики движения, но и на теплообмен между потоком газа и окружающей поверхностью. В ламинарном потоке тепло передается исключительно теплопроводнос­тью, в турбулентном — теплопроводностью и конвекцией со значительным преобладанием последней. Поэтому при теплообмене между турбулентным потоком газа и поверх­ностью передача тепла через пограничный слой является наименее интенсивной и потому определяющей.