Введение к работе
Актуальность -проблемы.' ПотоЬя жидкости и в технических устрой
ствах, и в природе явладтся, как правило,, турбулентными. Хорошо из-.
вестно^ что основной проблемой при теоретическбіл анализе процессов
переноса в таких.'потоках является- проблема .замыкания осредненных
динамических, уравнений, оказывавшихся незамкнутыми из-за нелиней
ности исходных, урайнерий. Несмотря-Зато, что указанная проблема
была поставлена з/'Соно'вЬйолагающих '-работах' Рейнольдса около ста лет
назад, она до cib;.пор "не получила у"д6^летворительног.о решения. По
этому особую- важность- приобрели їв результаты теории, которые" мог
ли быть получены, на'Основе соображений общего характера без.всяко
го обращения к динамическим уравнениям.- Примерами.таких результа
тов являются,-в частности, логарифмический закон для профиля ско
рости и универсальный закон трения, выведенные Изаксоном и Милли-
кеном в конце.ЗОх годов с помощью анализа размерностей, общие
закономерности мелкомасштабной турбулентности, полученные Колмого
ровым и Обуховым в начале 40-х годов, и законы подобия для турбу
лентности в тедшературно-стратифицированных средах, найденные Мо-
ниным и Обуховым в начале 50-х. Подобные результаты не только тле
ют существенное теоретическое значение, но' и важны для технических
приложений, лоскольку они: приводят к простым, теоретически обосно
ванным расчетным 'формулам и могут служить вакннм средством провер
ки различных моделей замыкания для турбулентных течений. Актуаль
ность представленной работы, основные результаты которой полечены
на основе теории подобия-и.размерностей без обращения к ооредаенным
уравнениям турбулентности, обусловлена, в нервую очередь, необходи
мостью создания достаточно простых и надежных общих методов расче
та переноса тепла, массы и иьтульса в турбулентных течениях.разно-
го мша,*-играющих важную роль во -многих технических и геофизичес
ких задачах.. .
Цель работы заключается в Систематическом приложении к тео-^ ретическому анализу структуры турбулентных пристеночных течений соображений теории размерности и подобия, дополненных простейшими следствиям метода оращ*гааемнх:;ашдаот*лческих разложений. Исходя отсюда, в работе выведены теоретические-зависимости, описывающие пульсащгонные.и осредаенныё 'характеристики полей скороми, и темпе-
ротуры (концентрации), а также законы теплошссопереноса и трения. Получаемые зависимости включают ряд универсальных постоянных и функций, которые определялись по данным многочисленных экспериментов (некоторые из которых проводились при участии автора). Это сделало полученные формулы пригодными для создания методов расчета' интенсивности турбулентного переноса вблизи гладких и шероховатых поверхностей, в потоках как с нулевшл, так и с заметным продольным градиентом давления и в неустойчиво стратифіздировашшх пограничных слоях.
Научная новизна. Исследование распределения осредненных и пульсационных характеристик пристенных турбулентных течений, опирающееся на предположение о существовании "слоя перекрытия" областей "внешне;!" и "внутренней" асимптотических закономерностей, но без обращения к уравнениям гидро- и термодинамики и дополняющим эти уравнения гипотезам замыкания привело к ряду новых результатов:
-
Получен универсальный закон тепло- и массопереноса вблизи гладкой стенки, справедливый в очень широком диапазоне изменения' геометрических и режимных параметров течения.
-
Определена форма спектров и пространственных корреляционных функций для турбулентных пульсаций скорости и температуры (концентрации) в вязком подслое и в логарифмической зоне течения в мезомасштобной области изменения волновых чисел.
-
Найдены универсальные законы"трения и тепломассопереноса для турбулентных течений у шероховатых поверхностей. Для случая двумерной шероховатости определены значения всех коэффициентов, входящих в эти законы.
-
Теоретически предсказаны'и проверены сравнением с экспериментом формулы для расчета толщины пограничного слоя,,профилей скорости и трения в потоках с заметным продольным градиентом давления. Выведены законы, определяющие спектры, корреляционные функции и диффузию пассивной примеси в градиентном подслое таких течений.
-
Развита последовательная теория трехслойной структуры турбулентности в неустойчиво стратифицированном пограничном-слое.
Практическое значение проведенной работы определяется тем, чте здесь для целого ряда практически ванных течений получены теорети-
чески обоснованные простые расчетные формулы для определения интенсивности переноса импульса, тепла и массы в широком диапазоне изменения геометрических и режимных параметров течения и физических свойств протекающей жидкости, а также намечены пути учета разнообразных воздействий на развитой турбулентный пограничный слой. В качестве примеров такого воздействия подробно изучено влияние шероховатости обтекаемой стенки (внутреннее воздействие), продольного градиента давления и неустойчивой температурной стратификации (внешние.воздействия). Полученные при этом формулы могут непосредственно использоваться в практических расчетах профилей средних значений скорости, температуры или концентрации примеси, коэффициентов трения,-тепло- или массопереноса в этих потоках, одноточечных моментов и.спектров турбулентных пульсаций в них.
Автор защищает;
-
Получешую на основе теоретического анализа структуры температурного (концентрационного) поля в турбулентном течении у гладкой стенки общую форму универсального закона тепло- и массооб-мена. Оценки значений универсальных постоянных, входящих в этот закон и определенных на основании обработки данных, имеющихся в литературе, а также специально.поставленных экспериментов. Детализацию общего закона для случаев турбулентных течений в трубе, плоском канале и. пограничном слое на пластине.
-
Общую гипотезу о структуре мезомасштабной турбулентности и вытекающие из нее выводы о форме мезшаштабных спектров и пространственных корреляционных функций турбулентных пульсаций скорости и температуры- (концентрации) в логарифмическом и градиентном подслоях, а также в зоне динамико-конвекгивной и свободной конвекции температурно стратифицированного турбулентного пограничного слоя. Законы,, определяющие поведение характеристик турбулентности в градиентном подслое сильно заторможенного пограничного -слоя и изменение толщины пограничного слоя в ускоряющихся и замедляющихся течениях на пластине.
-
Универсальные законы трения и тепломассопереноса для турбулентных - течений У шероховатых поверхностей и потоков с заметным продольным градиентом давления. Детализацию коэффициентов' в этих законах для частных случаев двумерной шероховатости, сомкнувшихся
3.;
и разомкнутых пограничных слоев при ускорении и замедлении потока.
Апробация работы. Материалы диссертации докладывались на Ш, ІУ и У Всесоюзных совещаниях по тепло- и массообмену (Минск, 1968, 1972 и 1976), Всесоюзном симпозиуме по проблемам турбулентных течений, включая геофизические приложения (Киев, 1967 г.), ІУ, У и . УІ Международных конференциях по теплообмену (Париж-Версаль, 1970; Токио, 1974; Торонто, 1978), У Всесоюзном совещании по электрохимии (Москва, 1974), на ІУ Всесоюзном симпозиуме "Теория пограничного слоя" (Ленинград, 1975), ІУ, У и УІ Всесоюзных съездах по теоретической и прикладной механике (Киев, 1976; Алма-Ата, 1981; Ташкент, 1986), Всесоюзной конференции по аэрогидродинамике химических аппаратов АЭРОХЩ-I (Северодонецк, 1981), Международных конференциях по нелинейным и турбулентным процессам в физике (Киев, 1983 и 1987),' Всесоюзных конференциях по проблемам турбулентных течений- (%анов, 1984, 1988), Международной школе-семинаре (Минск, 1985), Международной конференции по организованным структурам и турбулентности (Гренобль, 1989), У Европейской конференции по жидкому состоянию материи "Исследование турбулентности" (Москва, 1989).
Публикации. Содержание диссертации освещено в 40 публикациях, перечисленных в конце автореферата.
Структура работы, диссертация содержит 280 страниц машинописного текста, список литературы на 59 страницах, включающий 531 работу, и 155 рисунков. Текст состоит из введения, пяти глав и кратких выводов из проделанной работы.