www.wikidata.uk-ua.nina.az

Турбулентна течія Турбулентність тривимірний нестаціонарний рух рідини в якому внаслідок розтягування вихорів створюєтьс

Турбулентна течія

Турбулентність — тривимірний нестаціонарний рух рідини, в якому внаслідок розтягування вихорів створюється безперервний розподіл хаотичних пульсацій параметрів потоку (швидкості, тиску і т. д.) в інтервалі довжин хвиль від мінімальних, визначених в'язкими силами, до максимальних, що визначаються граничними умовами течії. (П. Бредшоу).

Схематичне зображення ламінарної (a) і турбулентної (b) течії в плоскому шарі

Турбулентність — невпорядкований рух, який в загальному випадку виникає в рідинах, газоподібних або крапельних середовищах, коли вони обтікають непроникні поверхні або ж коли сусідні один з одним потоки однієї і тієї ж рідини слідують поруч або проникають один в інший. (Т. Карман).

Турбулентний рух рідини передбачає наявність неврегульованої течії, в якій різні величини зазнають хаотичних змін у часі і по просторових координатах і при цьому можуть бути виділені статистично точні їх осереднені значення. (І. Хінце). Наочна ілюстрація різниці між турбулентною та ламінарною течією представлено в https://www.youtube.com/watch?v=9A-uUG0WR0w.

Загальна характеристика Редагувати

Візуалізація течії турбулентного струменя, зроблена лазерно-індукованою флуоресценцією. У струмені виставлено широкий діапазон масштабів довжини, важлива характеристика турбулентних потоків.

Науковий термін турбулентність широко використовується в різних областях сучасної науки. Див. турбулентність(значення).

Турбулентним називається рух рідини (газу або плазми[джерело?]), що супроводжується утворенням вихорів.

Течія, що відбувається без утворення вихорів, називається ламінарною.

Критерієм турбулентності є досягнення числом Рейнольдса критичного значення:

де ρ — густина,

µ — коефіцієнт динамічної в'язкості, v — характерна швидкість течії рідини (газу), l — характерний розмір перешкод.

При малих значеннях числа Рейнольдса добуток характерної для течії швидкості плину на характерні розміри перешкод малий у порівнянні з в'язкістю. Тому завдяки в'язкості течія зберігає впорядковану структуру. При великих значеннях числа Рейнольдса рух рідини стає турбулентним.

Турбулентну течію маємо, коли число Re більше критичного значення. Для випадку течії води в круглій трубі Reкр = 2200. Це критичне значення числа Рейнольдса досить умовне і є результатом певного усереднення численних дослідів. У кожному конкретному випадку критичне значення числа Рейнольдса буде залежати від властивостей стінки труби та наявності початкових збурень у рідині на вході в трубу. Ламінарна течія спостерігається в дуже в'язких рідинах або за малої швидкості, а також при повільному обтіканні дуже в'язкою рідиною тіл малих розмірів. Зі збільшенням швидкості руху рідини (газу) ламінарна течія переходить у турбулентну.

Особливий характер руху частинок рідини в турбулентних течіях вимагає використання для статистичних підходів для визначення їх кількісних характеристик.

Турбулентність характеризується такими особливостями:

Через це енергетичний каскад турбулентного потоку може бути реалізований як суперпозиція спектру коливань швидкості потоку та вихорів середнього потоку. Вихори визначаються як когерентні закономірності швидкості потоку, завихреності і тиску. Турбулентні потоки можуть розглядатися як генеровані та ієрархічні вихори в широкому діапазоні масштабів довжини, а ієрархія може бути описана енергетичним спектром, який вимірює енергію в коливаннях швидкості потоку для кожної довжини (хвильове число). Масштаби в енергетичному каскаді, як правило, неконтрольовані і сильно несиметричні. Тим не менш, на основі цих масштабів довжини ці вихри можна розділити на три категорії.

інтегральний масштаб часу для лагранжевого потоку можна визначити як:

де u '- це коливання (пульсація) швидкості, a часове запізнення між вимірами.

Spectre de la turbulence

Колмогорівський масштаб — найменші масштаби в спектрі, які утворюють в'язкий діапазон підшарів. У цьому діапазоні дисипація енергії мікротурбулентних потоків залежить від в'язкості середовища. Малі масштаби турбулентності мають високу частоту, що обумовлює локальну турбулентність, ізотропність та однорідність.

Тейлорівський масштаб — проміжні масштаби між найбільшими і найменшими масштабами, які відповідають інерційному підрівню. Масштаби (мікромасштаби) Тейлора не є дисипативною шкалою, у вихорах цього рівня енергія передається від найбільшого до найменшого вихора без розсіювання. Деякі автори не розглядають масштаби Тейлора як характеристичну шкалу довжини вихорів і вважають, що їх каскад енергії містить лише найбільші та найменші масштаби.

Більш докладна презентація турбулентності з акцентом на виклад чисел Рейнольдса, призначена для загального читання фізиків і прикладних математиків, викладена в статтях Бензі та Фріша and by Falkovich.

Крім того, є багато масштабів метеорологічних рухів; в цьому контексті турбулентність впливає на дрібні рухи.

Теоретичні підходи Редагувати

Для теоретичного опису турбулентності застосовуються різні підходи.

  • При статистичному підході вважається, що турбулентність породжує сукупність вихрових елементів різних розмірів.
  • Іншим підходом є метод спектрального аналізу, який доповнює статистичний підхід.

Турбулентні потоки розраховують за деякими середніми за часом і просторово розрахунковими параметрам течії, які називають усередненими. Пульсаційною добавкою швидкості називають різницю між істинною швидкістю v' в точці vточ і усередненою швидкістю νсер.:

v' = vточ — νсер.

Пульсаційні добавки швидкості мають позитивні і негативні значення і є функціями часу і координат, причому ці функції є випадковими функціями. У ряді важливих практичних завдань з достатнім наближенням можна вважати, що вони підкоряються нормальному закону Гауса про розподіл ймовірності.

Характеристики турбулентності Редагувати

  • Перша основна характеристика турбулентності — інтенсивність турбулентності
  • Друга основна характеристика турбулентності — масштаби турбулентності
  • Третя основна характеристика турбулентності — функція F(k) розподілу кінетичної енергії пульсацій по частотах k цих пульсацій у часі.

Цікаво Редагувати

За апокрифічною історією, Вернера Гейзенберг запитали, про що він попросить Бога, якщо видасться така можливість. Його відповідь була наступною: «Коли я зустрінуся з Богом, збираюся поставити йому два запитання: щодо теорії відносності і турбулентності. Я дійсно вірю, що отримаю відповідь на перше.»

Див. також Редагувати

Примітки Редагувати

  1. https://cfd.spbstu.ru/agarbaruk/turb_models/Term8_Lec03_description.pdf
  2. https://cfd.spbstu.ru/agarbaruk/lecture/turb_models/
  3. Лойцянский Л. Г. Механика жидкости и газа: Учебник для вузов. — 7 издание. — Москва, Дрофа, 2003. — 840 с. — ISBN 5-7107-6327-6
  4. Інвазивний потік — це потік інвазивної рідини, в якій в'язкість рідини дорівнює нулю
  5. У гідродинаміці потік часто розкладається на "" середній потік "" — і відхилення s від середнього.
  6. ↑ Tennekes, Hendrik (1972). A First Course in Turbulence. The MIT Press. 
  7. (en) Christophe Bailly et Geneviève Compte-Bellot, Turbulence, Springer, 2015 (ISBN 978-3-319-16159-4)
  8. Benzi, R.; Frisch, U.. Turbulence. Scholarpedia. 
  9. Falkovich, G. Cascade and scaling. Scholarpedia. 
  10. Stull, Roland B. (1994). An Introduction to Boundary Layer Meteorology (вид. reprint of 1st). Dordrecht [u.a.]: Kluwer. с. 20. ISBN 978-90-277-2769-5. 
  11. Турбулентность. Принципы и применения, 1980, с. 66.
  12. Турбулентность. Принципы и применения, 1980, с. 99.
  13. ↑ Турбулентность и ее основные статистические характеристики
  14. http://azagoskin.ru/wp-content/uploads/2015/12/Chapter_2alt_lit_v1.pdf
  15. Енциклопедія нафти і газу

Література Редагувати

Посилання Редагувати

Вікісховище має мультимедійні дані за темою: Турбулентна течія
Вікісховище має мультимедійні дані за темою: Турбулентна течія
Вікіпедія, Українська, Україна, книга, книги, бібліотека, стаття, читати, завантажити, безкоштовно, безкоштовно завантажити, mp3, відео, mp4, 3gp, jpg, jpeg, gif, png, малюнок, музика, пісня, фільм, книга, гра, ігри
Дата публікації:
Turbulentnist trivimirnij nestacionarnij ruh ridini v yakomu vnaslidok roztyaguvannya vihoriv stvoryuyetsya bezperervnij rozpodil haotichnih pulsacij parametriv potoku shvidkosti tisku i t d v intervali dovzhin hvil vid minimalnih viznachenih v yazkimi silami do maksimalnih sho viznachayutsya granichnimi umovami techiyi P Bredshou Shematichne zobrazhennya laminarnoyi a i turbulentnoyi b techiyi v ploskomu shariTurbulentnist nevporyadkovanij ruh yakij v zagalnomu vipadku vinikaye v ridinah gazopodibnih abo krapelnih seredovishah koli voni obtikayut nepronikni poverhni abo zh koli susidni odin z odnim potoki odniyeyi i tiyeyi zh ridini sliduyut poruch abo pronikayut odin v inshij T Karman Turbulentnij ruh ridini peredbachaye nayavnist nevregulovanoyi techiyi v yakij rizni velichini zaznayut haotichnih zmin u chasi i po prostorovih koordinatah i pri comu mozhut buti vidileni statistichno tochni yih oseredneni znachennya I Hince 1 2 Naochna ilyustraciya riznici mizh turbulentnoyu ta laminarnoyu techiyeyu predstavleno v https www youtube com watch v 9A uUG0WR0w Zmist 1 Zagalna harakteristika 2 Teoretichni pidhodi 3 Harakteristiki turbulentnosti 14 4 Cikavo 5 Div takozh 6 Primitki 7 Literatura 8 PosilannyaZagalna harakteristika Redaguvati nbsp Vizualizaciya techiyi turbulentnogo strumenya zroblena lazerno indukovanoyu fluorescenciyeyu U strumeni vistavleno shirokij diapazon masshtabiv dovzhini vazhliva harakteristika turbulentnih potokiv Naukovij termin turbulentnist shiroko vikoristovuyetsya v riznih oblastyah suchasnoyi nauki Div turbulentnist znachennya Turbulentnim nazivayetsya ruh ridini gazu abo plazmi dzherelo sho suprovodzhuyetsya utvorennyam vihoriv Techiya sho vidbuvayetsya bez utvorennya vihoriv nazivayetsya laminarnoyu Kriteriyem turbulentnosti ye dosyagnennya chislom Rejnoldsa kritichnogo znachennya Re rvl µ dd dd dd dd dd de r gustina µ koeficiyent dinamichnoyi v yazkosti v harakterna shvidkist techiyi ridini gazu l harakternij rozmir pereshkod Pri malih znachennyah chisla Rejnoldsa dobutok harakternoyi dlya techiyi shvidkosti plinu na harakterni rozmiri pereshkod malij u porivnyanni z v yazkistyu Tomu zavdyaki v yazkosti techiya zberigaye vporyadkovanu strukturu Pri velikih znachennyah chisla Rejnoldsa ruh ridini staye turbulentnim Turbulentnu techiyu mayemo koli chislo Re bilshe kritichnogo znachennya Dlya vipadku techiyi vodi v kruglij trubi Rekr 2200 Ce kritichne znachennya chisla Rejnoldsa dosit umovne i ye rezultatom pevnogo userednennya chislennih doslidiv U kozhnomu konkretnomu vipadku kritichne znachennya chisla Rejnoldsa bude zalezhati vid vlastivostej stinki trubi ta nayavnosti pochatkovih zburen u ridini na vhodi v trubu Laminarna techiya sposterigayetsya v duzhe v yazkih ridinah abo za maloyi shvidkosti a takozh pri povilnomu obtikanni duzhe v yazkoyu ridinoyu til malih rozmiriv Zi zbilshennyam shvidkosti ruhu ridini gazu laminarna techiya perehodit u turbulentnu Osoblivij harakter ruhu chastinok ridini v turbulentnih techiyah vimagaye vikoristannya dlya statistichnih pidhodiv dlya viznachennya yih kilkisnih harakteristik 3 Turbulentnist harakterizuyetsya takimi osoblivostyami Irregulyarnist turbulentni potoki zavzhdi duzhe nerivni Z ciyeyi prichini turbulentni problemi yak pravilo rozglyadayutsya statistichno a ne deterministichno Turbulentnij potik ye haotichnim Prote ne vsi haotichni techiyi buvayut turbulentnimi Difuzijnist legkodostupna postavka energiyi v turbulentnih potokah maye tendenciyu do priskorennya gomogenizaciyi zmishuvannya ridkih sumishej Harakteristika yaka vidpovidaye za posilennya zmishuvannya ta zbilshennya chastot masi impulsu ta transportu energiyi v potoci nazivayetsya difuzijnist Turbulentna difuziya zazvichaj opisuyetsya turbulentnim koeficiyentom difuziyi Cej koeficiyent turbulentnogo difuziyi viznachayetsya v fenomenologichnomu sensi za analogiyeyu z molekulyarnimi difuzijnimi vlastivostyami Turbulentna difuziya ye najprostishim pidhodom dlya kilkisnogo analizu turbulentnih techij i bagato modelej buli postulovani dlya yiyi obchislennya Zavihrenist turbulentni potoki mayut nenulovij vihor i harakterizuyutsya silnim trivimirnim mehanizmom vihoru yakij nazivayetsya vihrovij roztyag U dinamici ridini voni po suti ye vihorami sho piddayutsya roztyaguvannyu pov yazani z vidpovidnim zbilshennyam komponenti zavihren v napryamku roztyaguvannya za rahunok zberezhennya kutovogo momentu Z inshogo boku vihrove roztyagnennya ye osnovnim mehanizmom za dopomogoyu yakogo kaskad energiyi turbulentnosti spirayetsya na vstanovlennya strukturnoyi funkciyi Gustina potoku energiyi Zagalom mehanizm roztyaguvannya peredbachaye zmenshennya vihoriv u napryamku perpendikulyarnomu napryamu roztyaguvannya zavdyaki zberezhennyu obsyagu elementiv ridini Vnaslidok cogo radialna shkala dovzhini vihoriv zmenshuyetsya i bilshi strukturi techiyi rozpadayutsya na menshi strukturi Proces prodovzhuyetsya do tih pir poki neveliki strukturi ne budut dostatno malimi shob yih kinetichna energiya mogla buti peretvorena molekulyarnoyu v yazkistyu ridini v teplo Same tomu turbulentnist zavzhdi ye obertalnoyu ta trivimirnoyu Napriklad atmosferni cikloni ye obertalnimi ale yih suto dvomirni formi ne dozvolyayut utvoryuvati vihor i tomu ne burhlivi Z inshogo boku okeanichni potoki ye dispersnimi ale suttyevo ne obertalnimi i tomu ne burhlivi Disipaciya dlya pidtrimki turbulentnogo potoku potribne stijke dzherelo energiyi oskilki turbulentnist shvidko rozsiyuyetsya kinetichna energiya peretvoryuyetsya na vnutrishnyu energiyu za rahunok v yazkogo zsuvnogo stresu Turbulentnist sprichinyaye formuvannya vihoriv riznih masshtabiv dovzhini Bilsha chastina kinetichnoyi energiyi turbulentnogo ruhu mistitsya u velikomasshtabnih strukturah Energetichni kaskadi vid cih velikomasshtabnih struktur do mensh masshtabnih struktur za dopomogoyu inercijnogo i po suti invazivnogo mehanizmu 4 Cej proces trivaye stvoryuyuchi menshi ta menshi strukturi sho stvoryuye iyerarhiyu vihoriv Zreshtoyu cej proces stvoryuye strukturi yaki ye dosit malimi shob molekulyarna difuziya stala vazhlivoyu i nareshti vidbuvayetsya v yazke rozsiyuvannya energiyi Masshtab za yakim ce vidbuvayetsya Kolmogorivskij masshtab Cherez ce energetichnij kaskad turbulentnogo potoku mozhe buti realizovanij yak superpoziciya spektru kolivan shvidkosti potoku ta vihoriv serednogo potoku 5 Vihori viznachayutsya yak kogerentni zakonomirnosti shvidkosti potoku zavihrenosti i tisku Turbulentni potoki mozhut rozglyadatisya yak generovani ta iyerarhichni vihori v shirokomu diapazoni masshtabiv dovzhini a iyerarhiya mozhe buti opisana energetichnim spektrom yakij vimiryuye energiyu v kolivannyah shvidkosti potoku dlya kozhnoyi dovzhini hvilove chislo Masshtabi v energetichnomu kaskadi yak pravilo nekontrolovani i silno nesimetrichni Tim ne mensh na osnovi cih masshtabiv dovzhini ci vihri mozhna rozdiliti na tri kategoriyi Masshtabi turbulentnosti Integralnij masshtab chasuintegralnij masshtab chasu dlya lagranzhevogo potoku mozhna viznachiti yak T 1 lt u u gt 0 lt u u t d t displaystyle T left frac 1 lt u u gt right int 0 infty lt u u tau d tau nbsp de u ce kolivannya pulsaciya shvidkosti a t displaystyle tau nbsp chasove zapiznennya mizh vimirami 6 Metrichni masshtabi turbulentnosti Najbilshi masshtabi v energetichnomu spektri Ci vihori otrimuyut energiyu vid serednogo potoku a takozh odin vid odnogo Otzhe ce energetichni vihori yaki mistyat bilshu chastinu energiyi Voni mayut veliki kolivannya shvidkosti potoku i mayut nizku chastotu Integralni masshtabi dovzhini visoko anizotropni i viznachayutsya v terminah normovanih dvotochkovih korelyacij shvidkosti potoku Maksimalna dovzhina cih shkal obmezhuyetsya harakteristichnoyu dovzhinoyu aparatu Napriklad najbilshij integralnij masshtab dovzhini trubnogo potoku dorivnyuye diametru trubi maksimalnij masshtab turbulentnosti U vipadku atmosfernoyi turbulentnosti cya dovzhina mozhe dosyagati poryadku dekilkoh soten kilometriv Integralni masshtabi dovzhini mozhut buti viznacheni yak L 1 lt u u gt 0 lt u u r gt d r displaystyle L left frac 1 lt u u gt right int limits 0 infty lt u u r gt dr nbsp de r vidstan mizh dvoma tochkami vimiryuvannya a u kolivannya shvidkosti v tomu zh napryamku 6 nbsp Spectre de la turbulence 7 Kolmogorivskij masshtabKolmogorivskij masshtab najmenshi masshtabi v spektri yaki utvoryuyut v yazkij diapazon pidshariv U comu diapazoni disipaciya energiyi mikroturbulentnih potokiv zalezhit vid v yazkosti seredovisha Mali masshtabi turbulentnosti mayut visoku chastotu sho obumovlyuye lokalnu turbulentnist izotropnist ta odnoridnist Tejlorivskij masshtabTejlorivskij masshtab promizhni masshtabi mizh najbilshimi i najmenshimi masshtabami yaki vidpovidayut inercijnomu pidrivnyu Masshtabi mikromasshtabi Tejlora ne ye disipativnoyu shkaloyu u vihorah cogo rivnya energiya peredayetsya vid najbilshogo do najmenshogo vihora bez rozsiyuvannya Deyaki avtori ne rozglyadayut masshtabi Tejlora yak harakteristichnu shkalu dovzhini vihoriv i vvazhayut sho yih kaskad energiyi mistit lishe najbilshi ta najmenshi masshtabi Bilsh dokladna prezentaciya turbulentnosti z akcentom na viklad chisel Rejnoldsa priznachena dlya zagalnogo chitannya fizikiv i prikladnih matematikiv vikladena v stattyah Benzi ta Frisha 8 and by Falkovich 9 Krim togo ye bagato masshtabiv meteorologichnih ruhiv v comu konteksti turbulentnist vplivaye na dribni ruhi 10 Teoretichni pidhodi RedaguvatiDlya teoretichnogo opisu turbulentnosti zastosovuyutsya rizni pidhodi Pri statistichnomu pidhodi vvazhayetsya sho turbulentnist porodzhuye sukupnist vihrovih elementiv riznih rozmiriv 11 Inshim pidhodom ye metod spektralnogo analizu yakij dopovnyuye statistichnij pidhid 12 Turbulentni potoki rozrahovuyut za deyakimi serednimi za chasom i prostorovo rozrahunkovimi parametram techiyi yaki nazivayut userednenimi Pulsacijnoyu dobavkoyu shvidkosti nazivayut riznicyu mizh istinnoyu shvidkistyu v v tochci vtoch i userednenoyu shvidkistyu nser v vtoch nser Pulsacijni dobavki shvidkosti mayut pozitivni i negativni znachennya i ye funkciyami chasu i koordinat prichomu ci funkciyi ye vipadkovimi funkciyami U ryadi vazhlivih praktichnih zavdan z dostatnim nablizhennyam mozhna vvazhati sho voni pidkoryayutsya normalnomu zakonu Gausa pro rozpodil jmovirnosti 13 Harakteristiki turbulentnosti 14 RedaguvatiPersha osnovna harakteristika turbulentnosti intensivnist turbulentnosti 13 Druga osnovna harakteristika turbulentnosti masshtabi turbulentnosti Tretya osnovna harakteristika turbulentnosti funkciya F k rozpodilu kinetichnoyi energiyi pulsacij po chastotah k cih pulsacij u chasi 15 Cikavo RedaguvatiZa apokrifichnoyu istoriyeyu Vernera Gejzenberg zapitali pro sho vin poprosit Boga yaksho vidastsya taka mozhlivist Jogo vidpovid bula nastupnoyu Koli ya zustrinusya z Bogom zbirayusya postaviti jomu dva zapitannya shodo teoriyi vidnosnosti i turbulentnosti Ya dijsno viryu sho otrimayu vidpovid na pershe Div takozh RedaguvatiMikroturbulentnist Makroturbulentnist Zona perehidnogo rezhimu Zona turbulentnogo rezhimu Turbulentnist mehanika RANSPrimitki Redaguvati https cfd spbstu ru agarbaruk turb models Term8 Lec03 description pdf https cfd spbstu ru agarbaruk lecture turb models Lojcyanskij L G Mehanika zhidkosti i gaza Uchebnik dlya vuzov 7 izdanie Moskva Drofa 2003 840 s ISBN 5 7107 6327 6 Invazivnij potik ce potik invazivnoyi ridini v yakij v yazkist ridini dorivnyuye nulyu U gidrodinamici potik chasto rozkladayetsya na serednij potik i vidhilennya s vid serednogo a b Tennekes Hendrik 1972 A First Course in Turbulence The MIT Press en Christophe Bailly et Genevieve Compte Bellot Turbulence Springer 2015 ISBN 978 3 319 16159 4 Benzi R Frisch U Turbulence Scholarpedia Falkovich G Cascade and scaling Scholarpedia Stull Roland B 1994 An Introduction to Boundary Layer Meteorology vid reprint of 1st Dordrecht u a Kluwer s 20 ISBN 978 90 277 2769 5 Turbulentnost Principy i primeneniya 1980 s 66 Turbulentnost Principy i primeneniya 1980 s 99 a b Turbulentnost i ee osnovnye statisticheskie harakteristiki http azagoskin ru wp content uploads 2015 12 Chapter 2alt lit v1 pdf Enciklopediya nafti i gazuLiteratura RedaguvatiMala girnicha enciklopediya u 3 t za red V S Bileckogo D Shidnij vidavnichij dim 2013 T 3 S Ya 644 s Svitlij Yu G Bileckij V S Gidravlichnij transport monografiya Doneck Shidnij vidavnichij dim Donecke viddilennya NTSh Redakciya girnichoyi enciklopediyi 2009 436 s ISBN 978 966 317 038 1Posilannya RedaguvatiVikishovishe maye multimedijni dani za temoyu Turbulentna techiyaVikishovishe maye multimedijni dani za temoyu Turbulentna techiyaTurbulentna techiya Turbulentnist Terminologichnij slovnik dovidnik z budivnictva ta arhitekturi R A Shmig V M Boyarchuk I M Dobryanskij V M Barabash za zag red R A Shmiga Lviv 2010 S 197 ISBN 978 966 7407 83 4 eFluids containing several galleries of fluid motion National Committee for Fluid Mechanics Films NCFMF containing films on several subjects in fluid dynamics in RealMedia format List of Fluid Dynamics books Turbulentnist Otrimano z https uk wikipedia org w index php title Turbulentna techiya amp oldid 40503557