ствие своей инерционности не регистрируют этих беспорядочных, нестационарных движений, показывая нек-рое среднее по времени значение скорости в данной точке. Отклонения истинной скорости от средней называют турбулентными пульсациями скорости. В большинстве случаев величина пульсаций не превосходит <5% средней скорости.
Благодаря поперечным пульсационным движениям частиц жидкости распределение скоростей по сечению трубы для турбулентного режима течения более равномерно, чем для ламинарного. Так, при ламинарном движении отноРис. 3. Распределение скоро
шение максистей в жидкости по сечению трубы при ламинарном течении. мальной скорости к скорости средней (по расходу жидкости) равно 2; при турбулентном движении это отношение будет 1, 235. Касательные напряжения между слоями зависят от интенсивности поперечных пульсационных движений. Так как процесс турбулентного перемешивания гораздо интенсивнее молекулярного, то турбулентные напряжения больше ламинарных. Вследствие этого падение давления по оси трубы происходит быстрее при турбулентном движении; опыты показывают, что перепад давления при ламинарном течении пропорционален первой степени максимальной скорости, а при турбулентном движении — квадрату скорости. Так как перепад давления пропорционален коэффициенту сопротивления и величине касательных напряжений на стенке трубы, то при переходе к турбулентному режиму местные и суммарные сопротивления возрастают.
О. Рейнольдс в 1883 показал, Рис. 4. распределение скоростей в жидкости по сечению тручто в трубах пе
бы при турбулентном течении. реход от ламипарного движения к_ турбулентному происходит при определённом значении числа Re=-^^, называемого теперь числом Рейнольдса: и — средняя по расходу скорость.
d — диаметр трубы, v — кинематический коэффициент вязкости. По современным опытам, в обычных условиях, переход от ламинарного течения к турбулентному происходит при . Re = 2.320; однако, если при опытах устранить вносимые в поток случайные возмущения, то ламинарная форма течения может сохраниться до Re = 40.000 и выше.
Максимальное число Рейнольдса, при к-ром ламинарная форма течения существует независимо от возмущений, называется нижним критическим числом ReKpnm• Так, напр., для воды, движущейся в трубе с диаметром d — 46<ш, максимальная скорость, при к-рой будет иметь место ламинарное течение, равна 0, 5 слг/сек. Поэтому ясно, что движение воды в реках, каналах, трубопроводах, движение воздуха в атмосфере при ветре и т. д. — движения турбулентные.
Теоретическое и экспериментальное изучение турбулентных движений имеет боль — 198
шое значение при расчёте, проектировании и постройке различных сооружений и конструкций. В настоящее время это изучение идёт по трём направлениям. — В работах первого направления изучают возникновение турбулентного течения из ламинарного. Ламинарная структура потока будет устойчивой по отношению к случайным возмущениям только до нек-рого критического числа после перехода этого критического значения случайные возмущения не будут затухать благодаря действию вязкости, а. распространяясь и усиливаясь в потоке, изменят его структуру на турбулентную.
Исследование устойчивости ламинарного постраничного слоя является наиболее важной проблемой в этой области. — Работы второго направления изучают вполне сформировавшееся стационарное турбулентное движение.
Две основные проблемы для стационарных турбулентных течений заключаются в определении законов распределения скоростей при различных числах ре и вычислении сил сопротивления трения. Полного теоретич. решения „ до сих пор ещё не найдено. Наиболь
Рис. 5. Возникновение турбупозади цилиндра, обшее распростра
лентности текаемого потоком жидкости. нение при технич. расчётах получила полуэмпирич. теория Прандтля, в к-рой предполагается, что механизм пульсационного турбулентного перемешивания частиц аналогичен беспорядочному тепловому движению молекул. — Работы третьего направления изучают турбулентные течения методами статистич. механики и теории вероятностей. Наибольшие успехи в этом направлении были достигнуты в работах Тейлора и Кармана, к-рые изучали коэффициенты корреляции поля пульсационных скоростей и выяснили закон затухания турбулентности в аэродинамич. трубах. Оказалось, что, кроме степени турбулентности, характеризуемой отношением величины пульсационной скорости к средней по времени скорости, нужно ввести ещё одну характеристику турбулентных течений, названную Тейлором «масштабом турбулентности». Масштаб турбулентности есть статистич. величина, характеризующая размеры частиц, участвующих в пульсационных движениях.
Экспериментальное изучение турбулентных течений производится гл. обр. в лабораториях и институтах, связанных с авиацией и гидротехникой. Оказывается, что при движении плохо обтекаемых тел (шар, цилиндр и др.) в жидкости или воздухе при числах Re больше критического, сопротивление значительно меньше сопротивления этих тел при ламинарном течении. Этот факт объясняется улучшением обтекания при турбулентном режиме и уменьшением вихревого сопротивления, к-рое для плохо обтекаемых тел является главной частью полного лобового сопротивления. В виду того, что сопротивление трения на единицу площади больше при турбулентном режиме течения, коэффициенты сопротивления хорошо обтекаемых тел (крыло аэроплана, дирижабль, авиабомба)
