Технические науки/2. Механика

К.т.н., Гнатив Р.М., Тимчишин С.И.

НУ “Львовская политехника”, г. Львов, Украина

Изменение структуры потока при ускоренном движении жидкости в цилиндрических трубах

На основании анализа литературных данных установлено, что с теоретической точки зрения смена режимов в ускоренных потоках мало изучена. В основном проведены экспериментальные исследования. Нами рассмотрено возникновение и распространение турбулентности при нестационарных ускоренных режимах движения жидкости в цилиндрических трубах и смене режимов течения.

При возникновении движения жидкости из состояния покоя наблюдается затягивание начала перехода от ламинарного режима в турбулентный до больших чисел Рейнольдса, в зависимости от величины ускорения [1]. Переход из одного турбулентного режима в другой, сопровождается опозданием появления нового уровня турбулентности [2,3].

Смена режимов течения жидкости всегда сопровождается существенной перестройкой кинематической структуры потока. При разгонном движении жидкости в трубах на начальной стадии образуется кинематическая структура, напоминающая течение в пограничном слое. Градиент скорости отличен от нуля только в непосредственной близости от стенки. Если критическое число Рейнольдса Re_кр , определяющее момент начала смены режима, порядка 5×10³ -5×10⁴ , то этот пограничный слой развивается до (0,4-0,5) R от стенки трубы. После перехода в турбулентность начинается быстрое перераспределение продольных скоростей. Около стенки локальные скорости увеличиваются, а в центральной части - уменьшаются. В итоге образуется турбулентный профиль, подчиняющийся логарифмическому закону. При больших ускорениях, когда жидкость ускоряется до больших критических чисел Re_кр, порядка10⁵-10⁶, распределение продольных скоростей до момента возникновения турбулентности сохраняется равномерным почти по всему сечению трубы. Только в непосредственной близости от стенки градиент скорости отличен от нуля [4]. Как только возникает турбулентность, пристеночные слои затормаживаются из-за скачкообразного возрастания касательного напряжения на стенке, а ламинарное ядро в то же время продолжает ускоряться.

Если начальный режим турбулентный, то происходит такая же перестройка профилей скорости. По данным [3] при малых ускорениях (Re₁ = 5×10³, Rе₂= 10⁴) время установления стационарного распределения скоростей, свойственного турбулентному течению, в десятки раз больше, чем время установления средней по сечению скорости.

При больших начальных ускорениях [5] жидкость в пристеночной области затормаживается, а центральное ядро под воздействием инерционных сил как будто вырывается вперед. Очевидно, время установления стационарного режима в этом случае еще больше.

Для понимания физической сущности процессов при смене режимов течения жидкости необходимо установить, каким образом происходит генерация турбулентности и как она распространяется по сечению трубы. На рис. 1 представлены экспериментальные результаты, характеризующие процесс развития турбулентной зоны при ускоренном движении жидкости.

На графике изображены моменты возникновения турбулентных пульсаций в данной точке живого сечения при различных начальных ускорениях dU/dt. Значения 5 на рис. 1 относятся к переходному ускоренному, а остальные 1 - 4 к разгонному из состояния покоя режимам. В первом приближении можно утверждать, что турбулентность вначале появляется на стенке трубы. Однако, более подробные измерения, проведенные в непосредственной близости от стенки (данные 3), показывают, что турбулентность возникает в пристеночном слое, а затем распространяется в радиальном направлении. Результаты работы [3] подтверждают предположение, что в случае переходного режима новый уровень интенсивностей турбулентных пульсаций генерируется на безразмерном расстоянии от стенки трубы у⁺= 15,7. Сравнение полученных данных 5 на рис. 1 и работы [4] показывает, что начальное ускорение потока сильно влияет на скорость распространения нового уровня турбулентности. Такая тенденция обнаруживается и в случае разгона жидкости.

Рис. 1. Распространение турбулентности при ускоренном движении жидкости в трубе (dU/dt - начальные ускорения; t - абсолютное значение времени от начала процесса; y/R- относительный радиус).

Представленные экспериментальные результаты получены методом термоанемометрии в гидравлически гладкой трубе диаметром трубы 0,0596 м. Нанесенные на график точки получены осреднением по методу ансамбля.

Полученные данные являются определяющими для усовершенствования математической модели, описывающей смену режимов течения при ускоренных движениях жидкости в трубах [6-8].

Литература

1. Maruyama Т. Transition to turbulence in starting pipe flows/ Т. Maruyama, Y. Katо, Т. Мizushinа // J. Chem. Eng. Japan.- 1978.- Vol. 11, № 5.- Р. 346-353.

2. Букреев Б.И. Экспериментальное исследование энергии турбулентности при неустановившемся течении в трубе/Б.И. Букреев, В.М. Шахин// СО АН СССР Инст. гидродинамики. Динамика сплошной среды.- 1975.-Вып. 22.- С. 65-74.

3. Maruyama T. The structure of the turbulence in transient pipe flows/ T. Maruyama, Т.Kuribayashi, Т. Мizushina // J. Chem. Eng. Japan.- 1976.-Vol. 9, № 6.- Р. 431-439.

4. Гнатів Р.М. Експерименталні дослідження неусталених течій в трубах / Р.М.Гнатів, І.П.Вітрух // Промислова гідравліка і пневматика.-2009.-№4 (26).-С.28-31.

5. Гнатів Р.М. Візуалізація структури потоку з вимірюванням полів швидкостей при неусталеному русі рідини/ Р.М. Гнатів // Технологічний аудит та резерви виробництва.-2013.-№ 5/5(13).- ISSN 2226-3780.- С. 14-16.

6. Лаврентьев М.А. Проблемы гидродинамики и их математические модели/ М.А. Лаврентьев, Б.В. Шабат.- М.: Наука.- 1977.- 408с.

7. Бондаренко, Ю.А. Математические модели и численные методы для решения задач нестационарной газовой динамики. Обзор зарубежной литературы/ Ю.А. Бондаренко, В.В. Башуров, Ю.В. Янилкин//. – М. 2003. – (Препринт/ РФЯЦ ВНИИЭФ; №88-2003).

8. Пинчуков В. И. Численное моделирование нестационарных течений с переходными режимами/ В. И. Пинчуков// Ж. вычисл. мат. и мат. физ. 2009.- 49.- № 10.- С. 1844-1852.