Турбулентное течение
Число Рейнольдса.
Основные сведения.Эпюры скоростей.
Характеристики турбулентного течения.Эпюры скоростей. К-тКариолиса.
Три области для зависимости коэффициентов сопротивления
Движению в круглой трубе. Относительная шероховатость.
Опыты Никурадзе
Реальные шероховатые трубы. Опыты Муринаи теплотехнического института.
Турбулентное течение в некруглых трубах
Число Рейнольдса.
Число Рейнольдса 
безразмерный критерий, характеризующий режимы движения жидкости. Критическая величина равнаяRe = 2000-2300- переход от ламинарного к турбулентному режиму движения.
Режим движения зависит от формы русла: труба или открытый поток, геометрии русла: круглая или квадратная труба, размеров шероховатостей, вязкости и скорости жидкости.
Исследования сопротивлений движению жидкости в круглых трубах и факторов, которые на него влияют, были проведены Никуразде и Муриным. Они определили зависимостькоэффициентовсопротивленияот числа Reи шероховатости внутренней поверхности труб (русла), связанные с трением вязкой жидкости.
Основные сведения о турбулентном режиме течения жидкости.
Эпюры скоростей.
Для турбулентного режима течения характерны пульсации скоростей и давлений,перемешивание жидкости.
В фиксированной точке потока величина скорости может быть измеренас помощью трубки полного напора или "трубки Пито" (рис.11.1).Трубка, повернутая под углом 90°, устанавливается отверстием навстречу потоку, рядом с ней устанавливается пьезометр. Скорость V частиц жидкости, попадающих в отверстие трубки, тормозится и уменьшается до нуля, а давление увеличивается на величину скоростного напора. Столб жидкости в трубке Пито поднимается над уровнем в пьезометре на высоту равную скоростному напору.
Измерив, разность высот жидкости в трубке Пито и пьезометре, можно определить мгновенную скорость жидкости в данной точке.
Рис.11.1 Использование трубки Пито для измерения скоростей потока
Запишем уравнение Бернулли для струйки, которая попадаетв трубку. Для сечений 0-0 имеем Р0 и V0, и 1-1 P1,V1 =0:
Во время второй лабораторной работы при изменении перепадов давленийфиксировались значительные колебания давления, зафиксированные пьезометрами. Такие же колебания показывают измерения скорости с помощью трубки Пито (рис.11.2). Величины местных мгновенных скоростей v колеблются около среднего значенияvср. Скорости частиц жидкости имеют пульсационную составляющую v’. Траектории частиц, проходящих через данную неподвижную точку пространства в разные моменты временив опыте Рейнольдса с прозрачной трубой, представляют собой кривые линии, зафиксировать направление векторов скорости очень сложно.
Рис.11.2. Изменение местных скоростей в турбулентном потоке.
Двухслойная модель турбулентного потока.
Особенностью турбулентного режима движения является перемешивание частиц жидкости. Интенсивность перемешивания возрастает с увеличением числа Рейнольдса. Структура потока жидкости в прямолинейной цилиндрической трубе круглого сечения может быть представлена в виде приближенной двухслойной схемы (рис11.3).
Рис.11.3. Двухслойная модель турбулентного потока.
На твердой стенке скорости, в том числе и пульсационные равны нулю. Вблизи стенки находится тонкий слой δ, в этом слое преимущественно имеются касательные напряжения, рассчитанные по закону Ньютона. Этот слой называется вязким подслоем (или ламинарным подслоем) потока, скорость в этом подслое увеличивается линейно от нуля до некоторой величины vл.п. Остальная часть потока занята турбулентным ядром, где происходят интенсивные пульсации скорости.
Турбулентное течение является неустановившимся, так как траектории, местные скорости и давления частиц изменяются во времени,
Для расчетов и теоретических выкладок скорости и давленияусредняют.Если усредненные значения скоростей и давлений потока мало изменяются во времени, турбулентное течение считают установившимся.
Усредненныескорости при турбулентном режиме теченияраспределены по сечению трубопровода более равномерно в сравнении с ламинарным режимом.
Коэффициент (рис.11.4) Кориолиса 
, учитывающий неравномерность распределения скоростей в уравнении Бернулли, при турбулентном течении меньше, чем при ламинарном режиме. При ламинарном режиме течения коэффициент Кориолиса не зависит от Re и близок к числу два,при турбулентном течении близок к единице.
Поскольку при турбулентном течении отсутствует слоистость потока и происходит перемешивание жидкости, касательное напряжение τ на стенке трубы в турбулентном потоке больше, чем при ламинарном, благодаря перемешиванию.
Рис.11.4 Профили скоростей при турбулентном и ламинарном режиме течения(а), коэффициент Кориолиса (б) в функции числа Рейнольдса.
ПриRe>Reкрпотериэнергии на трение по длине значительно больше при турбулентном режиме движения, чем при ламинарном при тех же размерах трубы, расходе и вязкости жидкости.
При ламинарном режиме потери напора на трение возрастают пропорционально скорости в первой степени, а при переходе к турбулентному течению заметен скачок сопротивления и потери увеличиваются пропорционально квадрату скорости (рис.11.5).
В виду сложности турбулентного течения и трудностей его аналитического исследования до настоящего времени не имеется строгой и точной его теории. Расчеты потерь при турбулентном движении жидкости ведут по уравнению Бернулли и усредненным скоростям.
Рис.11.5. Зависимость потерь на трения для ламинарного,
переходного и турбулентного режимов