Определение границы вязкого подслоя стационарного турбулентного потока жидкости посредством анализа пульсационных (статистических) характеристик его скорости в канале с нагретой стенкой

Юшко С.В.

УДК 532

С. В. Юшко

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ГРАНИЦЫ ВЯЗКОГО ПОДСЛОЯ СТАЦИОНАРНОГО ТУРБУЛЕНТНОГО ПОТОКА ЖИДКОСТИ ПОСРЕДСТВОМ АНАЛИЗА ПУЛЬСАЦИОННЫХ (СТАТИСТИЧЕСКИХ) ХАРАКТЕРИСТИК ЕГО СКОРОСТИ В КАНАЛЕ С НАГРЕТОЙ СТЕНКОЙ

Ключевые слова: турбулентный слой, граница вязкого подслоя, термоанемометр, статистический метод.

Предложен метод определения границы вязкого подслоя стационарного турбулентного потока жидкости в осесимметричном канале с теплой стенкой посредством статистического анализа пульсационной составляющей скорости потока, измеренной термоанемометром.

Keywords: turbulent boundary layer, viscous sublayer boundary, thermoanemometer, statistical method.

In this paper proposed a method of determining the boundaries of the viscous sublayer steady turbulent fluid flow in an axisymmetric channel with a warm wall by means of statistical analysis of the fluctuating component of the flow velocity measured anemometer.

В работах [4] и [5] было дано описание газодинамического стенда, а также методик проведения измерений кинематических

характеристик потоков жидкости с помощью термоанемометра. В развитие данных исследований было изучено поведение пульсационной составляющей скорости потока по сечению осесимметричного канала.

При изучении статистических

характеристик потока, таких как коэффициент асимметрии

4 = ( w?f

и коэффициент эксцесса

(w;4>

(1)

E, =■

{w''i

(2)

турбулентных пульсаций скорости потока (4),(5), полученных в настоящих исследованиях, было отмечено, что их поведение отличается от поведения, предложенного авторами работы [1, 2]. В ней указывается, что максимум степени турбулентности, смена знака коэффициента асимметрии и экстремум коэффициента эксцесса приходится на область пересечения универсального логарифмического закона с линейным профилем скорости характерным для вязкого подслоя.

Данное положение объяснялось тем, что в области перемежаемости имеет место равновероятное внедрение объемов жидкости с высокой (из ядра турбулентного пограничного слоя) и низкой (из области вязкого подслоя) скоростью.

Гистограммы турбулентных пульсаций скорости, построенные на основании сигнала с термоанемометра, датчик которого был расположен

на разных расстояниях от стенки ^ — ^^ (где Я -

радиус сечения канала), могут иметь следующий вид (рис.1).

0.00 ^

P(u)

Л'

\

W,

4.0 8.0 12.0 4.0 8.0 12.0

£,=0.004

£,=0.008

4.0 8.0 12.0

0 12.0 18.0

£ =0.012

£=0.016

P(u)

~ г/Я

г jA | ■X

5.0 10.0 15.0 20.0 6.0 12.0 18.0

£=0.02

£ =0.024

Рис. 1 - Гистограммы турбулентных пульсаций скорости потока по результатам проведенных исследований в трубе

На рис.1 видно, что ниже некоторой области гистограммы имеют пологую правую ветвь, а выше этой области - пологую левую ветвь. Разделяет эти области последняя симметричная гистограмма. Количественная оценка такого

смещения есть по определению коэффициент асимметрии.

Til

г 0.08

- 0.04

1 "-0.00

Ln(n)

Рис. 2 - Профиль скорости потока, степени турбулентности и коэффициента асимметрии в логарифмических координатах стенки

Данный метод определения границы вязкого подслоя с помощью термоанемометра является интересным, поскольку анализ осредненной составляющей скорости потока, измеренной термоанемометром, затруднен в виду активного влияния стенки на его показания на таких расстояниях. Между тем, статистические характеристики турбулентных пульсаций скорости можно определить с помощью термоанемометра достаточно точно [1, 3]. Однако в дополнение к высказанному авторам предположению можно заметить следующее. Так на рис.2 представлен профиль осредненной составляющей скорости потока в логарифмических координатах:

__[.а

~1сГ У™«

-Л— П=-

р = -

(3)

V

турбулентности Ти и коэффициента асимметрии турбулентных пульсаций. Можно отметить, что ни максимум степени турбулентности, ни ноль коэффициента асимметрии не приходятся на область пересечения универсального

логарифмического закона с профилем скорости в вязком подслое. Скорее всего, это можно объяснить тем, что равновероятный обмен объемами жидкости разной скорости между вязким подслоем и турбулентным пограничным слоем происходит в ядре зоны перемежаемости, а не на ее нижней границе как указано в [3]. Таким образом, с помощью представленного метода представляется возможным определять не толщину вязкого подслоя, а местоположение ядра зоны перемежаемости.

Литература

1. Репик Е.У., Пономарева В.С., «Исследо-вание влияния близости стенки на показания термоанемометра в турбулентном пограничном слое», Изв. СО АН СССР, сер. техн. наук, 1965, № 13, вып. 3, с. 45-52.

2. Репик Е.У., Соседко Ю.П., «К вопросу о перемежаемой структуре течения в зоне вязкого подслоя турбулентного пограничного слоя», В кн: Механика турбулентных потоков. М.: Наука, 1980, с. 219-225.

3. Репик Е.У., Соседко Ю.П., «К вопросу о толщине вязкого подслоя в турбулентном пограничном слое», Изв. СО АН СССР, сер. техн. наук, 1982, № 8, вып. 2, с.21-29.

4. Юшко С.В. Газодинамический стенд для изучения воздушных потоков в трубах. Вестник Казан. технол. ун-та-2013.-№ 21.- С.125-127.

5. Юшко С.В. Особенности подготовки термоанемометра для измерения скорости турбулентного потока. Вестник Казан. технол. ун-та-2013.-№ 21.-С.136-138.

где y - координата y = R — r, Cf -

кинематическая вязкость, v - коэффициент трения. Здесь же показаны профили степени

Аннотация научной статьи по физике, автор научной работы — Юшко С. В.

Похожие темы научных работ по физике , автор научной работы — Юшко С. В.