6. Основные характеристики движения жидкостей

47

тельно друг друга не только в продольном (вместе с потоком), но и в попе­речном направлении. Это создает дополнительное касательное напряже­ние т_т (индекс «т» — турбулентное), которое по аналогии с т_и можно выра­зить уравнением

= (11,39)

Величину V,. называют коэффициентом турбулентной вязкости, или просто турбулентной вязкостью.

Турбулентная вязкость, в отличие от обычной вязкости, не является физико-химической константой, определяемой природой жидкости, ее температурой и давлением. Турбулентная вязкость зависит от скорости жидкости и других параметров, обусловливающих степень турбулент­ности потока (в частности, расстояния от стенки трубы и т. д.).

Суммарное касательное напряжение в потоке определяется, следова­тельно, как вязкостью жидкости, так и турбулентностью потока:

х = т_и + х_Т — — р (V + V!) (11,40)

Из рис. II-10, б видно, что в основной массе потока скорости жидкости в значительной мере выравнены по сечению трубы. Однако вблизи стенки трубы скорость резко снижается, обращаясь у самой стенки в нуль. В непо­средственной близости от стенки, с приближением к ней, движение жид­кости становится все менее турбулентным и все более ламинарным, вслед­ствие того что твердая стенка как бы «гасит» турбулентные пульсации в по­перечном направлении.

Условно различают центральную зону, или основную массу жидкости, называемую ядром потока, в которой движение является развитым турбулентным, и гидродинамический пограничный слой вблизи стенки, где происходит переход турбулентного движения в ламинарное.

Внутри этого слоя имеется тонкий подслой (у стенки трубы) толщиной 6, где силы вязкости оказывают превалирующее влияние на движение жид­кости. Поэтому характер ее течения в подслое в основном ламинарный. Г радиент скорости в ламинарном пограничном подслое очень высок, причем у самой стенки скорость равна нулю.

Ламинарный подслой в турбулентном потоке характеризуется очень малой толщиной (составляющей иногда доли миллиметра), которая умень­шается с возрастанием турбулентности потока. Однако явления, происхо­дящие в нем, как будет видно из дальнейшего, оказывают значительное влияние на гидравлическое сопротивление при движении жидкости, а также на протекание процессов тепло- и массообмена.

Между ядром потока и ламинарным подслоем существует пере­ходная зона, причем ламинарный подслой и эту зону иногда назы­вают гидродинамическим пограничным слоем. Тол­щина его определяется тем, что напряжения сдвига между частицами жидкости в пограничном слое, обусловленные ее вязкостью и турбулент­ными пульсациями, а следовательно, значения V и [см. уравне­ние (11,40) ] становятся сравнимыми по порядку.

Из приведенного упрощенного представления о структуре турбулент­ного потока следует, что турбулентное движение всегда сопровождается ламинарным у твердой границы потока (у стенки трубы). В действитель­ности структура турбулентного потока является более сложной, так как четких границ между названными зонами не существует. Поэтому точнее использовать представление не о чисто ламинарном, а о вязком под­слое, в котором влияние вязкости преобладает над влиянием турбу­лентных пульсаций, т. е. его толщина характеризуется тем, что в этом подслое V ^>v_x.