Исследование пристенной турбулентной струи и турбулентного течения в криволинейном канале по обобщенной теории Кармана

• Автор: Джорогова, Елена Владимировна
• Шифр специальности: 01.02.05
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 1984
• Место защиты: Ленинград
• Количество страниц: 106 c. : ил

Турбулентность проявляется практически во всех течениях, происходящих как в естественных условиях, так и в технических системах. Ввиду этого теоретическое и экспериментальное исследование, начавшееся в прошлом веке, и сейчас остается одной из важнейших тем в гидродинамике и ее многочисленных приложениях в различных областях науки и техники.
Одним из широко распространенных видов турбулентных течений является пристенная турбулентная струя, являющаяся важной составной частью других, более сложных, течений используемых в технике: машиностроении, строительстве, сельском хозяйстве и так далее. Ввиду этого знание параметров пристенной турбулентной струи необходимо для оптимального ее использования, а также для учета ее влияния на другие процессы.
Важной областью применения пристенных турбулентных струй являются системы кондиционирования воздуха. При их проектировании необходимо знание поля скоростей в вентилируемых помещениях для создания условий, надболее благоприятных для самочувствия людей. При этом особое значение имеет зависимость максимальных значений скорости обратного течения от размеров входного отверстия для различных значений длины помещений. Обычно используются входные потоки с числами Рейнольдса * порядка 5.ТО3.
В работе [14] разработан метод вычисления максимальной скорости в зоне нахождения людей при заданном профиле скорости в турбулентной пристенной струе. Для определения последнего пользуются экспериментальными данными [ 36 ] , что существенно ограничивает возможности проектировщиков по применению струй с другими числами Рейнольдса на входе.
Широкое применение находят пристенные струи также и в различных промышленных системах охлаждения.

Нацример, выходящий из-под кожуха вентилятора электродвигателя поток воздуха представляет собой турбулентную пристенную струю [ 7 ]
Системы охлаждения двигателей являются той областью, в которой турбулентность достигается искусственно путем введения специальных конструктивных узлов: дефлекторов, дросселирующих лабиринтов и других. Именно турбулентный режим течения наилучшим образом способствует интенсивному конвективному выравниванию поля температур в различных частях двигателей, что обеспечивает поддержание температуры наиболее ответственных деталей в допустимых пределах, гарантирующих их необходимую механическую прочность.
Ввиду сложных конфигураций течений в системах охлаждения турбореактивных двигателей и их отдельных конструктивных элементов, а также неоднородностей температурных полей, расчет данных систем чрезвычайно сложен. Однако за основу часто берется турбулентная пристенная струя с введением поправочных коэффициентов. Проектировщиков при этом интересует расход воздуха в зависимости от формы и размеров выходных отверстий [6, 7, 27]
Турбулентная пристенная струя широко используется также в сельском хозяйстве при создании распылителей химикатов с летательных аппаратов Г 13 • Советские исследователи Д.Г.Сколов и С.П.Добров предложили способ распыления, по которому жидкость каплями наносят на неемачиваемую ленту и пропускают через щель в набегающий на летательный аппарат воздушный поток. Встает задача определения скорости возникающего турбулентного потока в зависимости от ширины щели. На данном этапе проблема создания новых видов авиационной распылительной аппаратуры ввиду сложности аэродинамических расчетов не выходит за рамки эксперимен-

TOB.
В последнее время за рубежом широко изучается влияние порывов ветра на наземные строительные сооружения. С этой целью было построено несколько специальных аэродинамических труб, в которых создается турбулентный режим течения. Однако при модельных испытаниях в аэродинамических трубах встает трудная проблема переноса результатов испытаний на натуру. В частности, такой перенос можно осуществить только путем всесторонних измерений на реальных строительных сооружениях.
Знание давлений, скоростей, во внутренний и внешних частях сооружений, а также в пространствах между зданиями в соответствии с возможными профилями ветра сняло бы с повестки дня эти сложные и дорогостоящие натурные эксперименты. Так стоимость проекта оборудования измерительной аппаратурой шести зданий в Чикаго составляет 1,5 млн.долларов ( [22] , стр.525), что по мнению цитируемого автора является только хорошим отправным пунктом для решения проблемы.
Хотя строительная механика и механика жидкости далеко отстоят друг от друга, их интересуют одни и теже общие вопросы, касающиеся порывов ветра и турбулентности.
Из сказанного выше ясно, почему пристенная турбулентная струя вот уже в течении пятидесяти лет привлекает к себе неизменное внимание гидромехаников, как теоретиков, так и экспериментаторов.
Первая работа, в которой эта струя рассматривалась - статья Фертманна [30] , была опубликована еще в 1934 году. Последняя, известная нам, работа - статья Хэмонда - в трудах Американского общества инженеров-механиков [25] , опубликована в 1982 году.

Из них видно, что рассматриваемое течение во всех его частях, как в пристенной области, так и вдали от нее, существенно зависит от числа Рейнольдса, то есть от молекулярной вязкости. Так, например, разница между толщиной струй при Не = 1,1.ТО4 и = 2,5.ТО4 составляет около 7%, что подтверждается опытами, приведенными в [40] . Для Це= 1Д.Ю4 и Не = З.Ю5 это различие возрастает до 30$.
Более подробно результаты численного эксперимента приводятся в следующем параграфе.