ПОИСК Статьи Рисунки Таблицы ОГЛАВЛЕНИЕ Неустойчивость, переход и турбулентность Характеристики неустойчивости из "Свободноконвективные течения тепло- и массообмен Т2" В предыдущих главах книги рассмотрены различные типы ламинарных естественноконвективных течений в пограничных слоях. Были выявлены и описаны многие механизмы процесса переноса в направлении течения. Оказалось, что большинство из этих механизмов действует и в более крупномасштабных процессах, когда перенос является в основном турбулентным. Ламинарные течения, которые рассматривались выше, при воздействии естественно возникающих возмущений, несмотря на их обычно небольшие масштабы, характерные для технологических процессов и процессов в окружающей природе, часто становятся неустойчивыми. [c.5] Для большинства течений очень велико различие в интенсив-иости ламинарного и турбулентного переноса. Поэтому ответы на вопросы о том, как, когда или где течение становится турбулентным, в значительной мере определяют точность и надежность расчетов характеристик переноса. [c.5] В конечном счете турбулентность является результатом чувствительности ламинарного течения к воздействию естественно возникающих возмущений. Часто источником таких возмущений становятся внешние вибрации. Колебания тепловыделения нагреваемой поверхности также вносят возмущения в поток. Все эти возмущения могут вноситься в поток в любом месте и в различные моменты времени. Они возрастает по амплитуде под действием выталкивающих сил, сил давления и вязкости, соотношение между которыми зависит от условий, связанных с величиной выталкивающей силы, расположением рассматриваемой области и т. д. Однако механизмы этого процесса различны для разных течений и граничных условий. Также могут различаться и механизмы, вследствие которых первоначальная неустойчивость ламинарного течения вызывает переход к полностью развитому турбулентному течению. Все эти вопросы рассматриваются в следующих разделах данной главы. [c.5] Первой стадией возникновения и развития неустойчивости многих течений является начальный рост малых возмущений. [c.5] Этот процесс исследуется с помощью линейной теории устойчивости. В ней предполагается, что возмущения скорости и температуры потока, вызванные внешними воздействиями, малы по сравнению с величинами скорости и перепада температур в развивающихся ламинарных течениях, а это, как будет показано ниже, существенно упрощает задачу. Возмущения считаются также периодическими, так что их можно представить разложениями в ряд Фурье. [c.6] Амплитуда этих волн увеличивается, если условия таковы, что под действием гидродинамических сил и выталкивающей силы к ним подводится дополнительная энергия. Однако течения по-разному реагируют на возкущения различной частоты. При воздействии возмущения фиксированной частоты течение становится неустойчивым на различных расстояниях от передней кромки в зависимости от его числа Грасгофа Отх (или величины О), характеризующего локальные параметры течения. На рис. 11.1.1 показано развитие возмущения, распространяющегося вниз по потоку. Видно, что оно сначала затухает, а затем усиливается. [c.6] На рис. 11.1.2 приведена характерная диаграмма устойчивости, построенная по результатам расчета устойчивости течения к воздействию возмущений с небольшой амплитудой. [c.6] При малых О возмущения демпфируются. Эта область отделена нейтральной кривой от области усиливающихся возмущений. Частота возмущения характеризуется размерным значением или безразмерной величиной со, определение которой дается ниже [соотношение (11.2.29)]. Для заданных условий, выражаемых значениями о и О, которые зависят от частоты возмущения Р и продольного расстояния х, с помощью диаграммы устойчивости можно определить, является ли возмущение, воздействующее на течение, затухающим, нейтральным или усиливающимся. [c.6] Эти результаты представляют больщой ийтерес, поскольку подобные возмущения индуцируют ниже по потоку (при больших х) возмущения более сложной формы, которые и разрушают ламинарное течение. Результаты, приведенные на рис. 11.1.3, показывают, что течение около вертикальной поверхности неизбежно становится неустойчивым, В то же время в свободных пограничных слоях (4 и 5) ив пограничном слое над горизонтальной поверхностью (5), где выталкивающая сила направлена перпендикулярно вектору скорости, теч ение устойчиво по отношению к любым возмущениям малой амплитуды. Однако экспериментально установлено, что течения 3—5 менее устойчивы, чем течения 1 я 2, поскольку довольно быстро (при малых значениях х) начинают доминировать другие механизмы неустойчивости. Возмущения в свободных пограничных слоях 4, 5) растут очень быстро главным ойразом из-за того, что отсутствует демпфирование со стороны поверхности. Что касается течения около горизонтальной поверхности (3), то его неустойчивость, по-видимому, объясняется дополнительным воздействием, связанным с механизмом тепловой неустойчивости из-за неблагоприятной стратификации жидкости. [c.10] Характеристики устойчивости течений к воздействию малых возмущений рассматривались в работах [121] (течение 5), [58, 120] (течение 4), [112] (течение 5). Отметим, что наиболее подробно исследовались течение 1 и все разновидности течения 2. Для них получены характеристики в ламинарной и переходной областях и даже в области развитого турбулентного течений. Поэтому на примере течения 2 — вертикального течения около поверхности, нагреваемой постоянным тепловым потоком, — детально рассматриваются во всех следующих разделах данной главы механизмы процесса перехода к полностью турбулентному течению. [c.10] Вернуться к основной статье