ПОИСК Статьи Рисунки Таблицы Характеристики турбулентного переноса в области развивающегося течения из "Свободноконвективные течения, тепло- и массообмен Кн.2" В предыдущих разделах описаны различные стадии процесса перехода ламинарного течения в турбулентное около вертикальной стенки. Их физические механизмы выяснены преимущественно по результатам непосредственного измерения значений скорости и температуры Почти без привлечения статистических характеристик. Однако для полного понимания турбулентности необходимо иметь представление о том, каким образом развивается в направлении течения спектр пульсаций, достигая своего окончательного состояния. Крупномасштабные вихри, возникающие в области перехода, по мере движения вниз по течению превращаются в мелкомасштабные вихри полностью развитого турбулентного течения. [c.57] В настоящее время имеется обширная информация о статистических характеристиках полностью развитых турбулентных течений около вертикальной поверхности. Кутателадзе [90], используя стробоскопический метод визуализации, измерял профили продольной составляющей средней скорости й и среднеквадратических значений турбулентных пульсаций в потоке этилового спирта около изотермической поверхности. Установлено, что резкий максимум профиля совпадает с максимумом профиля й. [c.57] Более подробное измерение характеристик турбулентности проведено в работе [143] при естественной конвекции около изотермической поверхности. Получены профили продольной и поперечной составляющих средней скорости й, й, а также профили средней температуры. Приведены распределения интенсивности турбулентных пульсаций u , v и а также ковариаций ы Г, 1) , и и, коэффициенты корреляционных функций, спектры и взаимные спектры. [c.58] Результаты исследования перехода [74] с экспериментальными данными по интенсивности теплопередачи в воде [153] позволили обнаружить существование дополнительных стадий релаксации течения после завершения процесса перехода, описанного в разд. 11.4 и 11.5. В конце области перехода коэффициенты перемежаемости температуры и скорости становятся равными единице во всем пограничном слое, кроме его внешней области, где происходит захват окружающей жидкости. Однако экспериментальные данные [153] показывают, что локальный коэффициент теплопередачи продолжает быстро возрастать и после разрушения ламинарного течения, затем это увеличение кх прекращается, после чего наблюдается уменьшение интенсивности теплопередачи подобно тому, как это происходит в ламинарном пограничном слое. [c.58] О задержке установления режима полностью развитого турбулентного течения относительно процесса перехода свидетельствует также отставание в развитии профилей температуры, которое наблюдалось в работе [74]. Показано [9], что уровень возмущения температуры резко повышается за областью перехода, несмотря на прекращение роста возмущения скорости. Уменьшение скорости усиления возмущения температуры, как к завершение процесса развития спектра возмущения, свидетельствует о возникновении развитой турбулентности, если судить по характеристикам теплопередачи [153]. [c.59] Рассмотрим результаты экспериментального исследования [9]. В хорошо теплоизолированном резервуаре из нержавеющей стали около вертикальной электрически нагреваемой поверхности высотой 132 см и шириной 41,5 см создавалось конвективное течение воды. Удельное электрическое сопротивление воды поддерживалось на уровне, превышающем 0,8 МОм-см, позволяющем проводить измерения термоанемометром с неизолированными нитями. [c.59] что начало и завершение процесса перехода зависят как от О, так и от плотности теплового потока q . Отметим, что при некотором заданном значении q измерения проводились на различных расстояниях вдоль поверхности. [c.61] Распределения пульсаций скорости и температуры. Уровни пульсаций скорости и температуры изменяются по потоку довольно сложным образом. Джалурия и Гебхарт [74] наблюдали, что коэффициент усиления возмущений уменьшается при их движении вниз по течению. После того как пульсации скорости в тепловом пограничном слое достигают заметного уровня, они изменяются так же, как и пульсации температуры. [c.61] На рис. 11.6.2 приведены экспериментальные распределения по координате х максимальных значений 1 и а также и х п ьЧ при изменении х от Х4 = 48,3 см до Х1 = 114,3 см. В каждом сечении х интенсивность пульсаций скорости и достигает максимума приблизительно при т] =0,6. [c.61] Наибольшее значение и наблюдается в окрестности точки 3, т. е. приблизительно в конце области перехода, тогда как достигает наибольшего значения ниже по течению, что согласуется с установленными в работе [4] закономерностями ранних стадий развития возмущений. Результаты исследования теплопередачи показывают, что полностью развитое турбулентное течение устанавливается ниже по потоку от верхней границы, показанной на рис. 11.6.1, а именно сразу после того, как пульсации температуры достигнут максимального уровня. При этом коэффициенты перемежаемости скорости и температуры уже имеют значения, равные единице. Исследование естественной конвекции в ртути [119] также показало, что сначала происходит повышение уровня пульсаций температуры при увеличении расстояния по потоку, а затем его постепенное понижение. И хотя в работе не приведены числа Грасгофа, на основании представленных результатов можно сделать вывод о том, что эти пульсации действительно были измерены в области перехода. [c.61] Спектры пульсаций температуры и скорости. Данные работы [9] показывают, что перед областью перехода энергии возмущения сосредоточена в узкой полосе очень низких частот. В начале перехода основная часть энергии возмущения по-прежнему остается в узкой полосе спектра. Затем посредством нелинейных процессов энергия возмущения распределяется по более широкой области спектра. Если считать, что частота возмущения характеризует масштаб турбулентности, то в области перехода эти масштабы довольно велики. В последующем происходит передача энергии от крупных вихрей к мелким. [c.64] В точке 6 примерно 45 % энергии возмущения сосредоточено в небольшой области спектра, содержащей расчетную частоту отфильтрованного возмущения. Только 5 % энергии имеют возмущения с более высокими частотами. Такой сдвиг спектра в сторону низких частот объясняется развитием крупных вихрей и тем, что изменение режима течения от ламинарного к частично турбулентному происходит за относительно продолжительный период времени. В конце области перехода, в точке 3, энергия возмущений более равномерно распределена по спектру — уже свыше 14 % энергии сосредоточено в области частот, превышающих частоту отфильтрованного возмущения. В точке 1 эта доля энергии возрастает до 27 % полной энергии возмущений, что свидетельствует о возникновении мелких вихрей. [c.65] По мере дальнейшего расширения спектра частот в нем образуется так называемая инерционная область, которая соответствует локально изотропной турбулентности. В этой области спектральная плотность кинетической энергии турбулентности уменьшается с увеличением волнового числа X по закону [118]. Эта зависимость была получена для спектра пульсаций скорости в несжимаемой жидкости. Корсику [28] удалось обобщить результаты и показать, что она справедлива также для спектра пульсаций температуры, если рассматривать температуру как пассивную скалярную величину в поле течения. В конвективной области спектра пульсации температуры также подчиняются закону —5/3. [c.65] На рис. 11.6.4 и 11.6.5 приведены значения спектральной плотности пульсаций продольной составляющей скорости фи (Р) и температуры ф(,(Р). Они измерены в сечении 1 (рис. 11.6.1) в различных точках пограничного слоя. Спектры пульсаций температуры и скорости подобны между собой и мало отличаются от спектров, измеренных в сечении 2. В области низких частот наблюдается большой разброс значений, измеренных на разных расстояниях у от поверхности. И наоборот, в области высоких частот этот разброс невелик. Низкочастотные пульсации, или крупные вихри, возникают в результате передачи энергии от среднего течения к турбулентности. Спектр крупных вихрей определяется масштабами, связанными с толщиной пограничного слоя. Разброс спектральных характеристик при низких частотах указывает, что масштаб крупных вихрей изменяется поперек пограничного слоя. [c.66] При исследовании естественной конвекции воздуха около изотермической поверхности проводились измерения в одной точке области перехода спектров пульсаций температуры и продольной составляющей скорости [143]. Оказалось, что оба спектра имеют заметную область, где спектральная плотность изменяется как Это согласуется с приведенными выше результатами. [c.67] Турбулентный перенос. Результаты исследования теплопередачи [18, 153] показывают, что процессы турбулентного переноса существенно повыщают интенсивность теплопередачи. Это происходит в результате конвекции тепла вниз по потоку (Срри 1 ) или за счет дополнительного турбулентного переноса тепла поперек пограничного слоя p pv t ). Как изменяются эти величины с развитием течения, показано на рис. 11.6.2,6, где представлены результаты измерений в точках 4—1 (рис. 11.6.1). [c.69] В каждом сечении пограничного слоя х максимум распределений иЧ и ьЧ находится примерно при т] = 0,6. Видно, что обе эти величины продолжают увеличиваться в области турбулентного режима течения. Наибольшего значения они достигают уже после завершения процесса перехода [74]. [c.69] Сравнение величин иЧ и и 1 с и (рис. 11.6.2) показывает, что развитие процесса переноса тепла в поперечном направлении более тесно связано с ростом максимальных значений в пристеночной области. Нельзя считать неожиданным резкое увеличение переноса тепла турбулентностью в обоих направлениях и после завершения процесса перехода, поскольку результаты исследования теплопередачи [153] показывают, что теплопередача в конце области перехода, если его определить по методу Джалурия и Гебхарта [74], не становится еще полностью развитой. [c.69] В табл. 11.6.2 по данным работ [9, 74, 153] приведены значения О, соответствующие различным этапам процесса перехода при заданном уровне плотности теплового потока. Критерий конца перехода, предложенный в работе [74], основан на определении начала стабилизации распределения значений коэффициентов перемежаемости. Из сравнения данных, представленных на рис. 11.6.3, а и 11.4,5, видно, что в конце области перехода стабилизируется также уровень пульсаций скорости. Однако отставание процесса перехода в тепловом пограничном слое на ранних стадиях его развития приводит к задержке роста уровня пульсаций температуры как это видно на рис. 11.6.2. [c.70] В работе [153] были измерены локальные коэффициенты теплопередачи от пластины к воде в области перехода при постоянной плотности теплового потока. Отклонение экспериментальных значений от рассчитанных для ламинарного течения сначала резко возрастает, а затем, ниже по потоку, уменьшается. Для условий, приведенных в табл. 11.6.2 для точки 2, коэффициенты теплопередачи кх начинают уменьшаться по закону развитого турбулентного течения. [c.70] Вернуться к основной статье