4.7. КАСАТЕЛЬНЫЕНАПРЯЖЕНИЯ ВТУРБУЛЕНТНОМПОТОКЕ
Касательные напряжения, возникающие в турбулентном потоке, по своей физической природе существенно отличаются от касательных напряжений в ламинарном потоке. В результате интенсивного перемешивания частиц происходит массообмен частицами в поперечном направлении между отдельными слоями, что приводит к обмену количеством движения.
Определим
касательные напряжения, возникающие в турбулентном потоке вдоль оси х, в
котором имеются пульсации скоростей, приняв струйчатую модель движения (рис.
4.9). Выделим в потоке жидкости два слоя: первый слой - движения со скоростью , второй - с большей скоростью на величину
, т.е.
.
Рис. 4.9. К определению касательных турбулентных напряжений
За счет
поперечной пульсационной скорости происходит обмен
массами между слоями через некоторую площадь
. За
время dt через площадь
от
слоя 1 к слою 2 пройдет следующая малая масса жидкости:
. (4.73)
Эта
масса жидкости за счет продольной пульсации передаст
слою 2 следующее количество движения:
. (4.74)
В результате передачи количества движения в слое 2 возникает импульс силы
, (4.75)
где - воображаемая сила трения, вектор
которой параллелен направлению движения слоев.
Используя теорему количества движения (изменение количества движения равно импульсу движущих сил), получим
(4.76)
или
(4.77)
где - касательные
напряжения в турбулентном потоке.
Уравнение выражает мгновенное значение касательных напряжений, обусловленных пульсацией скорости при турбулентном движении.
Осредненные касательные напряжения турбулентного трения представляются в виде
, (4.78)
где ,
- осредненные пульсационные составляющие.
В
турбулентном потоке имеют место вязкостные напряжения, связанные с силами
внутреннего трения в результате сцепления частиц в потоке, а также со стенками
русла. Полные касательные напряжения в результате турбулентного перемешивания и вязкостного трения
(4.79)
или
, (4.80)
где -
динамическая вязкость.
Согласно
теории Прандтля пульсационные скорости и
достаточно близки (
), а пульсационная осредненная составляющая
,
где l - значение перемещения частиц или длина пути смешивания.
Тогда, подставив (4.81) в (4.78), получим формулу турбулентных касательных напряжений:
. (4.82)
Согласно
гипотезе Прандтля величина принимается
пропорциональной расстоянию в рассматриваемой точке z от стенки русла потока, т.е.
, (4.83)
где a - некоторое постоянное число.
По
Прандтлю следует, что по мере удаления от стенки значение перемещений частиц
жидкости в поперечном направлении увеличивается.
Число а обычно называют универсальной постоянной Прандтля.
В результате исследований турбулентного потока в трубах, связанных с распределением скоростей, Никурадзе получил a=0,4.
По предложению Буссинеска турбулентные касательные напряжения по аналогии с законом Ньютона можно представить в виде
, (4.84)
где А - коэффициент турбулентного перемешивания, связанный с переносом количества движения в результате интенсивности турбулентного перемешивания.
Учитывая равенства для (4.82) и (4.84),
, (4.85)
получим
. (4.86)
По
аналогии с законом трения Ньютона обозначим , где
- динамическая виртуальная (турбулентная) вязкость.
Выражение (4.82) может быть представлено в следующем виде:
.
При сильно турбулизированном потоке вязкостные напряжения пренебрежительно малы, и тогда касательные напряжения
Уважаемый посетитель!
Чтобы распечатать файл, скачайте его (в формате Word).
Ссылка на скачивание - внизу страницы.