Как показывают опыты, возможны два режима течения жидкостей и газов: ламинарный и турбулентный.

Ламинарным называется сложное течение без перемешивания частиц жидкости и без пульсаций скоростей и давлений. При ламинарном движении жидкости в прямой трубе постоянного поперечного сечения все линии тока направлены параллельно оси труб, отсутствуют поперечные перемещения жидкости. Однако, ламинарное движение нельзя считать безвихревым, так как в нем хотя и нет видимых вихрей, но одновременно с поступательным движением имеет место упорядоченное вращательное движение отдельных частиц жидкости вокруг своих мгновенных центров с некоторыми угловыми скоростями.

Турбулентным называется течение, cопровождающееся интенсивным перемешиванием жидкости и пульсациями скоростей и давлений. При турбулентном течении наряду с основным продольным перемещением жидкости происходят поперечные перемещения и вращательное движение отдельных объемов жидкости.

Изменение режима течения происходит при определенном соотношении между скоростью V, диаметром d, и вязкостью υ. Эти три фактора входят в формулу безразмерного критерия Рейнольдса R e = V d /υ, поэтому вполне закономерно, что именно число R e , является критерием, определяющим режим течения в трубах.

Число R e , при котором ламинарное движение приходит в турбулентное, называется критическим Reкр.

Как показывают опыты, для труб круглого сечения Rекр = 2300, то есть при Re < Reкр течение является ламинарным, а при Rе > Reкр - турбулентным. Точнее говоря, вполне развитое турбулентное течение в трубах устанавливается лишь при Re = 4000, а при Re = 2300 - 4000 имеет место переходная критическая область.

Смена режима течения при достижении Re кр обусловлена тем, что одно течение теряет устойчивость, а другое - приобретает.

Рассмотрим более подробно ламинарное течение.

Одним из наиболее простых видов движения вязкой жидкости является ламинарное движение в цилиндрической трубе, а в особенности его частный случай - установившееся равномерное движение. Теория ламинарного движения жидкости основывается на законе трения Ньютона . Это трение между слоями движущейся жидкости является единственным источником потерь энергии.

Рассмотрим установленное ламинарное течение жидкости в прямой трубе с d = 2 r 0

Чтобы исключить влияние силы тяжести и этим упростить вывод допустим, что труба расположена горизонтально.

Пусть в сечении 1-1 давление равно P 1 а в сечении 2-2 - P 2.

Ввиду постоянства диаметра трубы V = const, £ = const, тогда уравнение Бернулли для выбранных сечений примет вид:

Отсюда , что и будут показывать пьезометры, установленные в сечениях.

В потоке жидкости выделим цилиндрический объем.

Запишем уравнение равномерного движения выделенного объема жидкости, то есть равенство 0 суммы сил, действующих на объем.

Отсюда следует, что касательные напряжения в поперечном сечении трубы изменяются по линейному закону в зависимости от радиуса.

Если выразить касательное напряжение t по закону Ньютона, то будем иметь

Знак минус обусловлен тем, что направление отсчета r (от оси к стенке противоположного направления отсчета y (от стенки)

И подставить значение t в предыдущее уравнение, то получим

Отсюда найдем приращение скорости.

Выполнив интегрирование получим.

Постоянную интегрирования найдем из условия при r = r 0; V = 0

Скорость по окружности радиусом r равна

Это выражение является законом распределения скорости по сечению круглой трубы при ламинарном течении. Кривая, изображающая эпюру скоростей, является параболой второй степени. Максимальная скорость, имеющая место в центре сечения при r = 0 равна

Применим полученный закон распределения скоростей для расчета расхода.

Площадку dS целесообразно взять в виде кольца радиусом r и шириной dr

После интегрирования по всей площади поперечного сечения, то есть от r = 0, до r = r 0

Для получения закона сопротивления выразим; (через предыдущую формулу расхода)

µ=υρ r 0 = d/2 γ = ρg. Тогда получим закон Пуарейля;

ТУРБУЛЕНТНЫМ называется течение, сопровождающееся интенсивным перемешиванием жидкости с пульсациями скоростей и давлений. Нарядус основным продольным перемещением жидкости наблюдаются поперечные перемещения и вращательные движения отдельных объемов жидкости.

Турбулентное течение жидкости наблюдаются при определенных условиях (при достаточно больших числах Рейнольдса ) в трубах, каналах, пограничных слоях около поверхностей движущихся относительно жидкости или газа твёрдых тел, в следах за такими телами, струях, зонах перемешивания между потоками разной скорости, а также в разнообразных природных условиях.

Т. т. отличаются от ламинарных не только характером движения частиц, но также распределением осреднённой скорости по сечению потока, зависимостью средней или макс. скорости, расхода и коэф. сопротивления от числа Рейнольдса Re, гораздо большей интенсивностью тепломассообмена. Профиль осреднённой скорости Т. т. в трубах и каналах отличается от параболич. профиля ламинарных течений меньшей кривизной у оси и более быстрым возрастанием скорости у стенок.

Потери напора при турбулентном движении жидкости

Все гидравлические потери энергии делятся на два типа: потери на трение по длине трубопроводов и местные потери, вызванные такими элементами трубопроводов, в которых вследствие изменения размеров или конфигурации русла происходит изменение скорости потока, отрыв потока от стенок русла и возникновение вихреобразования.

Простейшие местные гидравлические сопротивления можно разделить на расширения, сужения и повороты русла, каждое из которых может быть внезапным или постепенным. Более сложные случаи местного сопротивления представляют собой соединения или комбинации перечисленных простейших сопротивлений.

При турбулентном режиме движения жидкости в трубах эпюра распределения скоростей имеет вид, показанный на рис. В тонком пристенном слое толщиной δ жидкость течет в ламинарном режиме, а остальные слои текут в турбулентном режиме, и называются турбулентным ядром . Таким образом, строго говоря, турбулентного движения в чистом виде не существует. Оно сопровождается ламинарным движением у стенок, хотя слой δ с ламинарным режимом весьма мал по сравнению с турбулентным ядром.

Модель турбулентного режима движения жидкости

Основной расчетной формулой для потерь напора при турбулентном течении жидкости в круглых трубах является уже приводившаяся выше эмпирическая формула, называемая формулой Вейсбаха-Дарси и имеющая следующий вид:

Различие заключается лишь в значениях коэффициента гидравлического трения λ. Этот коэффициент зависит от числа Рейнольдса Re и от безразмерного геометрического фактора - относительной шероховатости Δ/d (или Δ/r 0 , где r 0 - радиус трубы).

Критическое число Рейнольдса

Число Рейнольдса, при котором происходит переход от одного режима движения жидкости в другой режим, называется критическим. При числе Рейнольдса наблюдается ламинарный режим движения, при числе Рейнольдса - турбулентный режим движения жидкости. Чаще критическое значение числа принимают равным, это значение соответствует переходу движения жидкости от турбулентного режима к ламинарного. При переходе от ламинарного режима движения жидкости к турбулентному критическое значение имеет большее значение. Критическое значение числа Рейнольдса увеличивается в трубах, сужаются, и уменьшается в тех, что расширяются. Это объясняется тем, что при сужении поперечного сечения скорость движения частиц увеличивается, поэтому тенденция к поперечного перемещения уменьшается.

Таким образом, критерий подобия Рейнольдса позволяет судить о режиме течения жидкости в трубе. При Re < Re кр течение является ламинарным, а при Re > Re кр течение является турбулентным. Точнее говоря, вполне развитое турбулентное течение в трубах устанавливается лишь при Re примерно равно 4000, а при Re = 2300…4000 имеет место переходная, критическая область.

Как показывает опыт, для труб круглого сечения Re кр примерно равно 2300.

Режим движения жидкости напрямую влияет на степень гидравлического сопротивления трубо-проводов.

Для ламинарного режима

Для турбулентного режима

Турбулентное течение характеризуется быстрыми и случайными флуктуациями скорости, давления и концентрации около их средних значений. Этими флуктуациями, как правило, интересуются лишь при статистическом описании систем. Поэтому в качестве первого шага при изучении турбулентного течения обычно рассматривают уравнения для средних величин, которые, как считается, описывают течение. При этом для некоторых средних величин получаются дифференциальные уравнения, в которые входят моменты высших порядков. Таким образом, этот метод не позволяет непосредственно вычислить любую среднюю величину. Задача о турбулентном течении имеет прямую аналогию в кинетической теории газов, где детали случайного движения молекул несущественны, и интерес представляют лишь некоторые средние измеримые величины.

Во многих случаях можно найти простое решение уравнения движения (94-4), описывающее ламинарное течение, однако наблюдаемое течение при этом турбулентно. Это обстоятельство привело к исследованиям устойчивости ламинарного течения. Вопрос об устойчивости течения формулируется следующим образом: если течение возмущается на бесконечно малую величину, то будет ли возмущение возрастать в пространстве и времени или же оно затухнет и течение останется ламинарным? Этот вопрос обычно решается путем линеаризации задачи вблизи основного, ламинарного решения. Получаемые результаты иногда согласуются с экспериментально наблюдаемыми условиями перехода к турбулентности или к более сложному ламинарному течению, как в случае вихрей Тейлора при течении между вращающимися цилиндрами (разд. 4). Иногда имеется

значительное расхождение с экспериментом, как в случае пуазейлевского течения в трубе.

Для турбулентного течения средние значения можно определить как средние по времени, например

Период времени U, по которому проводится усреднение, должен быть большим по сравнению с периодом флуктуаций, который можно оценить как 0,01 с.

Для ламинарного течения напряжение дается равенством (94-1), определяющим закон Ньютона для вязкого течения. Однако в турбулентном течении имеется дополнительный механизм переноса импульса, обусловленный тем фактом, что случайные флуктуации скорости стремятся передавать импульс в область с меньшим количеством движения. Таким образом, полное среднее напряжение, или лоток импульса, равно сумме вязкого и турбулентного потоков импульса:

где вязкий поток импульса определяется усредненным по времени уравнением (94-1), а турбулентный поток импульса будет получен в настоящем разделе несколько позднее.

Вдали от твердой стенки преобладает перенос импульса по турбулентному механизму. Однако вблизи твердой поверхности турбулентные флуктуации гасятся, вследствие чего доминирует вязкий перенос импульса. Поэтому напряжение трения на стенке по-прежнему определяется равенством

относящимся к течению в трубе радиуса R. Затухание флуктуаций вблизи твердой поверхности вполне естественно, поскольку жидкость не может пересечь границу раздела с твердым телом.

Природу турбулентного потока импульса можно выяснить, усредняя по времени уравнение движения (93-4):

Здесь через обозначен тот же тензор напряжений, который раньше обозначался . Этот тензор для ньютоновских жидкостей задается равенством (94-1).

Введем отклонение от средних по времени значений скорости и давления:

Назовем v флуктуацией скорости или флуктуирующей частью скорости. Несколько правил усреднения по времени следует непосредственно из определения (98-1). Так, временное среднее суммы равно сумме средних по времени:

Среднее значение производной равно производной от среднего по времени: . В общем случае среднее по времени от нелинейного члена даст более одного члена. Например, Конечно, среднее по времени от флуктуации равно нулю:

Мы считаем, что характеристики жидкости, например , и т. д., постоянны, поскольку даже при таких допущениях задача о турбулентном течении остается трудной и поскольку несжимаемые жидкости также подвержены турбулентному течению. В действительности сжимаемый ламинарный пограничный слой может быть более устойчивым, чем несжимаемый. С учетом этих замечаний усреднение по времени уравнения движения (98-4) дает

Усредненное по времени уравнение непрерывности (93-3) имеет вид

Среднее вязкое напряжение находится усреднением по времени равенства (94-1):

Эти уравнения совпадают с уравнениями, имевшимися до усреднения, за исключением того, что в уравнении движения (98-6) появляется член - . Если выразить турбулентный поток импульса как

и записать полное среднее напряжение в соответствии с равенством (98-2), то уравнение движения приобретает вид

Это уравнение весьма похоже на то, каким оно было до усреднения.

Эти выкладки иллюстрируют происхождение турбулентного потока импульса или так называемого напряжения Рейнольдса, определяемого равенством (98-9). Турбулентный механизм переноса импульса до некоторой степени аналогичен механизму переноса импульса в газах, с той лишь разницей, что в газах перенос осуществляется за счет случайного движения молекул, а в жидкостях - за счет случайного движения больших молекулярных агрегатов.

Видно, что процесс усреднения не позволяет надежно предсказать напряжение Рейнольдса. Не располагая фундаментальной теорией, многие авторы с переменным успехом писали эмпирические выражения для . Возможно, стоит подчеркнуть, что между турбулентным напряжением и производными скорости нет простого соотношения, как это имеет место для вязкого напряжения в ньютоновской жидкости, где является характеристикой состояния, зависящей лишь от температуры, давления и состава.

Многие практические задачи по турбулентности включают область вблизи твердой поверхности, поскольку по своему смыслу именно эта область служит местом зарождения турбулентности и поскольку именно в этой области требуется вычислять напряжения трения и скорости массопереноса. Делалось много попыток изучить экспериментальные данные с целью обобщения свойств разных характеристик турбулентного переноса вблизи поверхности. К таким характеристикам относятся средние высших порядков, например напряжение Рейнольдса, вытекающие из усреднения уравнений движения и конвективной диффузии. Это обобщение имеет вид универсального закона распределения скоростей вблизи поверхности. Тот же результат можно выразить с помощью турбулентной вязкости и турбулентной кинематической вязкости - коэффициентов, связывающих турбулентный перенос с градиентами скорости. Эти коэффициенты существенно зависят от расстояния до стенки и потому не являются фундаментальными характеристиками жидкости. Такого рода информация часто получается при изучении полностью развитого течения в трубе или некоторых простых пограничных слоев.

При изучении турбулентного течения вблизи поверхности твердого тела показано, что соотношение, называемое универсальным профилем скорости, справедливо для средней тангенциальной скорости, зависимость которой от расстояния до твердой поверхности изображена на рис. 98-1. Это соотношение описывает полностью развитое турбулентное течение вблизи гладкой

стенки и справедливо как для течения в трубе, так и для турбулентных пограничных слоев. В выражение для турбулентного профиля скорости входит напряжение трения то на стенке:

Заметим, что вдали от стенки средняя скорость изменяется линейно с логарифмом расстояния до стенки, а вблизи - возрастает линейно с расстоянием.

Рис. 98-1. Универсальный профиль скорости при полностью развитом турбулентном течении.

Основные особенности кривой воспроизводятся следующими приближенными формулами:

В логарифмической области

Здесь член, включающий зависимость профиля скорости от у, не, зависит от вязкости, которая входит лишь в аддитивную постоянную.

Из рис. 98-1 видно, что напряжение Рейнольдса зависит от расстояния до стенки. Обычно эта зависимость выражается через турбулентную вязкость , определяемую соотношением

Введение позволяет выражать эмпирические данные через турбулентную вязкость. Поскольку турбулентное течение вблизи стенки не может быть изотропным, для выражения других составляющих напряжения Рейнольдса, вероятно, требуется другая турбулентная вязкость даже при том же расстоянии до стенки.

Рис. 98-2. Турбулентная вязкость в виде универсальной функции расстояния до твердой поверхности.

Универсальный профиль скорости (рис. 98-1), по-видимому, справедлив лишь в области вблизи стенки, где напряжение трения существенно постоянно. Этот профиль должен нарушиться вблизи центра трубы, где напряжение падает до нуля. Если предположить, что напряжение трения постоянно по всей области, где справедлив универсальный профиль скорости, то можно получить представление о характере изменения с расстоянием до стенки:

Отсюда видно, что отношение также должно быть универсальной функцией расстояния до стенки выраженного в единицах . Рис. 98-2 получен дифференцированием универсального профиля скорости, изображенного на рис. 98-1. Таким методом получить точные данные для вблизи стенки невозмлжно,

можно, поскольку в этой области . Однако эта задача не имеет особого значения, так как в задачи гидродинамики входит лишь сумма

Универсальный профиль скорости - один из немногих выводов, полученных в теории турбулентного течения вблизи стенки. Этот профиль широко используется в тех случаях, когда экспериментальные наблюдения невозможны. Таким образом, универсальный профиль служит основой полуэмпирической теории турбулентного течения, которая применяется к гидродинамике турбулентных пограничных слоев, к массопереносу в турбулентных пограничных слоях, а также во входной области в случае полностью развитого течения в трубе.

Турбулентность - явление, наблюдаемое во многих течениях жидкостей и газов и заключающееся в том, что в этих течениях образуются многочисленные вихри различных размеров, вследствие чего их гидродинамические и термодинамические характеристики (скорость, давление, температура, плотность) испытывают хаотические флуктуации и поэтому изменяются в пространстве и времени нерегулярно.

Течение жидкости, в котором наблюдается турбулентность, называется турбулентным. При таком течении частицы жидкости и газа совершают неупорядоченные, неустановившиеся движения, что приводит к их интенсивному перемешиванию.

Этим турбулентные течения отличаются от так называемых ламинарных течений, имеющих регулярный характер и способных меняться во времени лишь с изменением действующих сил или внешних условий. При ламинарном течении частицы жидкости или газа перемещаются строго в одном направлении слоями, которые не смешиваются между собой.

Благодаря большой интенсивности хаотического перемешивания турбулентные течения обладают повышенной способностью к передаче тепла, ускоренному распространению химических реакций (например, горения), рассеиванию звуковых и электромагнитных волн, а также к передаче импульса и вследствие этого к повышенному силовому воздействию на обтекаемые ими твердые тела. При этом в турбулентных течениях движущиеся тела испытывают значительно большее сопротивление, что приводит к значительным потерям энергии.

Турбулентность возникает при определенных условиях как следствие гидродинамической неустойчивости ламинарных течений. Ламинарное течение теряет устойчивость и превращается в турбулентное, когда отношение сил инерции к силам вязкости, так называемое число Рейнольдса (Re), превзойдет некоторое критическое значение, характерное для определенных конкретных условий.

Английский физик О. Рейнольде (1842- 1912) следующим образом объяснял своим ученикам физический смысл открытого им критерия:

«Жидкость можно уподобить отряду воинов, ламинарное течение - монолитному походному строю, турбулентное - беспорядочному движению. Скорость жидкости и диаметр трубы - это скорость и величина отряда, вязкость - дисциплина, а плотность - вооружение. Чем больше отряд, чем быстрее его движение и тяжелее вооружение, тем раньше распадается строй. Таким же образом турбулентность возникает в жидкости тем быстрее, чем выше ее плотность, чем меньше вязкость и больше скорость жидкости и диаметр трубы».

Наиболее детально изучены турбулентные течения в трубах, каналах, пограничных слоях, около обтекаемых жидкостью или газом твердых тел и так называемые свободные турбулентные течения - струи, следы за движущимися относительно жидкости или газа твердыми телами и зоны перемешивания между потоками разных скоростей, не разделенными какими-либо твердыми стенками, и т. д., а также явление турбулентности атмосферы.

Турбулентность атмосферы играет большую роль во многих атмосферных явлениях и процессах - обмене энергией между атмосферой и поверхностью, переносе тепла и влаги, испарений с земной поверхности и водоемов, диффузии атмосферных загрязнений, зарождении ветровых волн и ветровых течений в море, рассеянии коротких радиоволн в атмосфере и т. п.

В отличие от турбулентности в искусственных каналах (трубах, струях, пограничных слоях и др.) турбулентность атмосферы имеет специфические особенности: спектр масштабов турбулентных движений в атмосфере весьма широк - от нескольких миллиметров до тысяч километров, турбулентность атмосферы развивается в пространстве, ограниченном одной «стенкой» - поверхностью Земли.

Большой практический интерес представляет вопрос о потерях энергии при движении твердого тела в жидкостях и газе. Дело в том, что при малых скоростях сопротивление движению увеличивается пропорционально скорости. При этом, как показали исследования в аэродинамической трубе, движущийся поток сохраняет ламинарность. При дальнейшем увеличении скорости в какой-то момент начинают образовываться турбулентные завихрения. С этого момента сопротивление возрастает пропорционально квадрату скорости, т. е. большая часть энергии расходуется на образование вихрей в пограничном слое и позади движущегося тела. Поэтому даже незначительный прирост скорости требует больших затрат энергии.

Было замечено, что не подчиняются этой закономерности водные представители животного мира - дельфины. Известно, что они развивают скорость до 50 км/ч и легко поддерживают ее в течение нескольких часов. Если считать, что движение дельфина в воде аналогично движению любого твердого тела, то расчеты показывают, что для этого дельфину не хватит его мускульных сил (парадокс Грея).

Исследование дельфинов в гидродинамической трубе показали, что во время движения поток жидкости, обтекающий тело дельфина, остается ламинарным. Наблюдения за движениями дельфинов в океанариуме привели к следующим результатам: при движении в воде по толстой упругой коже дельфина пробегают складки. Они возникают при критических режимах обтекания, когда скорость возрастает настолько, что поток вот-вот может из ламинарного превратиться в турбулентный. Тут-то на коже и возникает как бы «бегущая волна», которая гасит образующиеся завихрения, помогая поддерживать постоянное ламинарное обтекание.

Как только тайна скорости дельфинов оказалась раскрытой, инженеры стали искать возможности ее использования. Изготовили «дельфинью» обшивку для стальной торпеды. Она состояла из нескольких слоев резины, пространство между которыми заполнили силиконовой жидкостью, перетекающей по узким трубочкам из одного межслойного промежутка в другой. Конечно, это было только грубое приближение, но и оно позволило уменьшить сопротивление движению на 60% (при движении торпеды со скоростью 70 км/ч).

Мягкие оболочки нашли применение не только в судостроении. Представьте себе тысячи километров нефтепроводов. Мощные насосные станции гонят по ним нефть. Энергия этих станций тратится и на преодоление завихрений, турбулентных потоков, возникающих в трубах. Если же трубы изнутри покрыть эластичной оболочкой, сопротивление уменьшится за счет ламинаризации потока нефти, а следовательно, в результате сократится расход электроэнергии.

При достаточно больших числах Рейнольдса движение жидкости перестает быть ламинарным; так в трубах с гладкими стенками ламинарное движение переходит в турбулентное при числах

В этом движении гидродинамические параметры начинают флуктуировать около своих средних значений, возникает перемешивание жидкости и ее течение приобретает случайный характер. Движение воздуха в атмосфере и воды в океане, когда числа Рейнольдса велики (а они могут достигать в определенных условиях ), практически всегда турбулентно. В технических задачах аэро- и гидромеханики чрезвычайно часто приходится встречаться с таким движением; числа и здесь могут достигать значений . По этой причине исследованию турбулентности уделялось всегда большое внимание. Однако хотя турбулентное движение, начиная с работ Рейнольдса, изучается около столетия и к настоящему времени мы уже много знаем об особенностях и закономерностях этого движения, нельзя еще сказать, что есть полное понимание этого сложного физического явления.

Вопрос о возникновении и развитии турбулентного движения еще недостаточно выяснен, хотя несомненно, что он связан с неустойчивостью течения при больших числах из-за нелинейности уравнений гидродинамики; на этом мы кратко остановимся ниже. Для нас, однако, при изучении распространения волн в турбулентной среде большее значение будут иметь сведения об уже развитом, установившемся турбулентном потоке, его внутренней структуре и динамических закономерностях.

Большой успех в современных представлениях об уже развитом турбулентном течении был достигнут в 1941 г. А. Н. Колмогоровым и А. М. Обуховым, которым принадлежит заслуга создания общей схемы механизма такого турбулентного потока при больших числах Рейнольдса, выяснения его внутренней структуры и целого ряда статистических закономерностей . С тех пор развитие статистической теории турбулентности и связанных с ней экспериментов привело к ряду существенных результатов. Подробное изложение современной статистической теории турбулентности и ее экспериментального исследования дано в работах . Эта теория оказалась важной для проблемы «турбулентность и волны» как для распространения акустических волн в атмосфере и море, так и для распространения электромагнитных волн в атмосфере, ионосфере и плазме. Здесь мы ограничимся кратким изложением лишь самых основных сведений об этой теории, необходимых нам в дальнейшем.

В 1920 г. английский гидромеханик и метеоролог Л. Ф. Ричардсон высказал плодотворную гипотезу, которую называют гипотезой «измельчения» турбулентности. Он предположил, что в случае атмосферной турбулентности, при движении больших масс воздуха, по какой-либо причине, например из-за шероховатости поверхности, поток становится неустойчивым, образуются большие пульсации скорости или вихри. Эти вихри черпают свою энергию из энергии всего потока в целом. Характерные размеры этих вихрей

L такого же масштаба, как и масштаб самого потока (внешний масштаб турбулентности). Но при достаточно больших масштабах движения и скоростях потока эти вихри сами становятся неустойчивыми и распадаются на более мелкие вихри масштабов числа Рейнольдса для таких вихрей , где пульсации их скорости, велики и они в свою очередь распадаются на более мелкие. Этот процесс «измельчения» турбулентных неоднородностей продолжается все дальше и дальше: энергия крупных вихрей, поступая из энергии потока, передается все более мелким вихрям, вплоть до самых мелких, имеющих внутренний масштаб I, когда начинает существенную роль играть вязкость жидкости (числа для таких вихрей малы движение их устойчиво). Энергия наименьших возможных вихрей превращается в тепло.

Эта гипотеза Ричардсона получила развитие в работах А. Н. Колмогорова и его школы.

В инерционной области масштабов пульсаций можно считать, что вязкость не играет роли, энергия просто перетекает от больших масштабов к меньшим и диссипация энергии единицы объема жидкости в единицу времени есть некоторая функция только изменения средней скорости на расстояниях порядка I, самого масштаба I и плотности , т. е.

Из трех величин можно составить только одну комбинацию, имеющую размерность :

Из этого соотношения можно оценить порядок изменения средней скорости турбулентного движения на расстоянии порядка I:

Поскольку в рассматриваемом инерционном спектральном интервале вихрей, начиная с внешнего масштаба L и кончая внутренним масштабом 1 (где определяющую роль играет вязкость), величина постоянна, то

где С - постоянная, которая для условий атмосферной турбулентности и турбулентности в аэродинамической трубе (за решеткой) имеет порядок и растет с ростом скорости потока и. Среднее квадратичное разности скоростей в точках 1 и 2 (или так называемая структурная функция ) в турбулентном потоке будет, таким образом,

где - расстояние между точками наблюдения 1 и 2. Это так называемый закон двух третей Колмогорова - Обухова (А. М. Обухов пришел к формулировке такого закона из спектральных представлений).

Следует заметить, что к такому же закону позднее пришли также Л. Онзагер, К. Вайцзэкер и В. Гейзенберг.

В проведенных рассуждениях, основанных на соображениях подобия и размерностей, предполагается, что поток в целом не оказывает ориентирующего влияния на вихри: поэтому движение вихрей в инерционной подобласти спектра пульсаций можно приближенно считать локально однородным и изотропным, о чем будет идти речь также в гл. 7. По этой причине статистическую теорию турбулентности называют теорией локально изотропной турбулентности.

Закон «двух третей» относится к турбулентному полю пульсаций, т. е. к векторному случайному полю, и, вообще говоря, следует уточнить, с какими компонентами v в (7.5) мы имеем дело.

Пульсации температуры, которые также имеются в динамическом турбулентном потоке (температурные неоднородности), перемешиваются пульсациями поля скоростей. Для скалярного температурного поля пульсаций также действует механизм измельчения неоднородностей пульсациями поля скоростей; размер наименьших температурных неоднородностей ограничивается действием теплопроводности, подобно тому как в поле пульсаций скоростей минимальный масштаб вихрей определяется вязкостью.

Для температурного поля пульсаций в динамическом потоке А. М. Обуховым был получен закон «двух третей», имеющий вид, аналогичный (7.5):

где постоянная, зависящая от скорости .

В интервале внутренних масштабов I (этот интервал называют интервалом равновесия) величина будет функцией не только , но и кинематической вязкости

Тогда единственной комбинацией, имеющей размерность будет такое выражение для :

(7.8)

Соответственно

где , т. e. в этом случае имеет место квадратичная зависимость от (закон Тэйлора).

Сам внутренний масштаб турбулентности I можно оценить из соотношения (7.4), считая, что (7.4) справедливо вплоть до и условия

Полная картина поведения структурной функции поля скоростей в зависимости от расстояния между точками наблюдения изображена

на рис. 1.5. При малых масштабах пульсаций скорости, соответствующих внутреннему масштабу структурная функция подчиняется квадратичному закону Тэйлора (интервал равновесия). При увеличении функция подчиняется закону «двух третей» (инерционный интервал; его называют также инерционной подобластью спектра пульсаций); при дальнейшем увеличении , когда исходные положения перестают быть справедливыми.

Рис. 1.5. Структурная функция поля скоростей.

Отметим, что закон «двух третей» имеет место не только для пульсаций поля скоростей и поля пульсаций температуры (рассматриваемой как пассивная примесь), но также для пульсаций влажности , также рассматриваемой как пассивная примесь

для пульсаций давления

Таковы некоторые существенные для нас выводы, которые получены на основании гипотезы Ричардсона и соображений теории подобия и размерности или из спектральных представлений.

В законе «двух третей» следует обратить внимание на то, что в нем берется среднее квадратичное разности скоростей в двух точках потока, или так называемая «структурная функция» поля скоростей. В этом заложен глубокий смысл.

Если производить измерения (запись) пульсаций скорости или температуры в одной точке потока, то крупные неоднородности будут играть большую роль, чем мелкие, и результаты измерений будут существенно зависеть от времени, в течение которого эти измерения производятся. Эта трудность отпадает, если производить измерения разности скоростей в двух относительно близких точках потока, т. е. следить за относительным движением двух близких элементов потока. На эту разность не будут влиять крупные вихри, размер которых гораздо больше, чем расстояние между этими двумя точками.

В отличие от кинетической теории газов, когда можно в первом приближении считать, что движение каждой молекулы не зависит от молекул, находящихся в непосредственной близости от нее, в турбулентном потоке дело обстоит иначе. Соседние элементы жидкости имеют тенденцию принять то же значение скорости, что и рассматриваемый элемент, если только расстояние между ними мало. Если рассматривать турбулентный поток как наложение пульсаций

(вихрей) различных масштабов, то расстояние между двумя, близкими элементами будет сначала изменяться благодаря только наименьшим вихрям. Крупные вихри будут просто переносить рассматриваемую пару точек (элементов) как целое, не стремясь их разделить. Но как только расстояние между элементами жидкости увеличится, в добавление к мелким в игру вступают более крупные вихри. Поэтому в турбулентном потоке жидкости важным является не столько перемещение самого элемента жидкости, сколько изменение его расстояния от соседних элементов.

После того как мы познакомились с основными представлениями о внутренней структуре развитого турбулентного потока, вернемся к вопросу о возникновении турбулентности, т. е. переходу от ламинарного движения к турбулентному (в современной литературе для этого явления употребляют сокращенный термин - «переход»).

Нелинейный процесс обмена энергией между различными степенями свободы, по существу заложенный в модели каскадного процесса преобразования энергии Ричардсона и усовершенствованный А. Н. Колмогоровым, привел Л. Д. Ландау к модели, в которой этот переход связывался с возбуждением в гидродинамической системе все возрастающего числа степеней свободы. В такой интерпретации перехода имеются определенные трудности. Шаг вперед в их преодолении был сделан А. М. Обуховым с сотрудниками 121, 22] и А. С. Мониным на основе теоретического и экспериментального исследования простейшей системы, обладающей общими свойствами уравнений гидродинамики (квадратичная нелинейность и законы сохранения). Такой системой является система с тремя степенями свободы (триплет), уравнения движения которой совпадают в соответствующей системе координат с уравнениями Эйлера в теории гироскопа. Гидродинамической интерпретацией триплета может служить «жидкое вращение» в несжимаемой жидкости внутри трехосного эллипсоида, в котором поле скоростей линейно по координатам.

Элементарный механизм нелинейного преобразования энергии между различными степенями свободы в таком триплете, который проверен экспериментально, можно положить в основу для моделирования более сложных систем (каскад триплетов) для объяснения каскадного процесса преобразования энергии по схеме Ричардсона - Колмогорова - Ландау. Можно надеяться, что на этом пути будут достигнуты определенные успехи в ближайшей перспективе.

Другой путь в объяснении перехода, развиваемый в последнее время, связан с тем, что стохастичность возможна не только в исключительно сложных динамических системах, в которых абсолютно точные начальные условия реально не могут быть заданы, и поэтому возникает потребность в статистическом описании. Стало ясно, что эти сложившиеся представления о природе хаоса не всегда верны. Хаотическое поведение было обнаружено и в гораздо более простых системах, в том числе в системах, описываемых всего тремя обыкновенными дифференциальными уравнениями первого порядка . Несмотря на то, что это открытие сразу же

стимулировало ряд исследований в области математической теории сложного поведения простых динамических систем, лишь с середины семидесятых годов оно привлекло внимание широкого круга физиков, механиков, биологов. Примерно в это же время хаос в простых системах был сопоставлен с проблемой возникновения турбулентности. Далее стохастические автоколебания были обнаружены в самых различных, порой весьма неожиданных областях, а их математический образ - странный аттрактор (strange attractor) - к настоящему времени занял заметное место в качественной теории динамических систем наряду с широко известными аттракторами - состояниями равновесия и предельными циклами. В какой мере это направление будет способствовать развитию теории перехода, пока еще не вполне ясно.