Свободная турбулентность

Свободная турбулентность — режим течения жидкости или газа, при котором возмущения возникают без внешнего принуждения, например, струя, истекающая в окружающую среду, или вихревое течение после препятствия.

Основные характеристики

Турбулентный поток характеризуется хаотическими, нерегулярными колебаниями скорости и давления.
В свободной турбулентности отсутствуют внешние направленные силы, формирующие движение, поэтому поток развивается и изменяется только за счёт внутренних гидродинамических процессов.

Модели и описания

Средние и колебательные составляющие скорости. Поток разбивается на среднюю скорость и флуктуации:

$$ u_i = \overline{u_i} + u_i' $$

где $\overline{u_i}$ — средняя компонента, u_i′ — колебательная.

Уравнения Рейнольдса — усреднённые уравнения Навье-Стокса с добавлением тензора Рейнольдсовых напряжений, описывающего турбулентные пульсации:

$$ \frac{\partial \overline{u_i}}{\partial t} + \overline{u_j}\frac{\partial \overline{u_i}}{\partial x_j} = - \frac{1}{\rho} \frac{\partial \overline{p}}{\partial x_i} + \nu \frac{\partial^2 \overline{u_i}}{\partial x_j^2} - \frac{\partial \overline{u_i' u_j'}}{\partial x_j} $$

Тензор Рейнольдсовых напряжений $\overline{u_i' u_j'}$ требует моделей турбулентности для замыкания системы уравнений.

Структура свободной турбулентности

Включает большие вихри — энергетиесодержащие структуры, размер которых сопоставим с характерным размером потока.
Малые вихри — генерация турбулентной диссипации и преобразование энергии в тепло.
Процесс переноса и смешивания веществ и тепла в турбулентном потоке значительно интенсивнее, чем в ламинарном.

Свободная струя

Пример свободной турбулентности — струя жидкости или газа, истекающая в неподвижную среду.
Профиль скорости в струе характеризуется расширением потока и уменьшением максимальной скорости по мере удаления от сопла.
Ширина струи растет примерно пропорционально расстоянию, а турбулентные пульсации формируют сложную динамическую структуру.

Важные свойства и практическое значение

Кипение и конденсация лежат в основе работы многих теплотехнических установок: котлов, холодильников, теплообменников.
Управление процессами фазовых переходов обеспечивает высокую эффективность систем теплоснабжения и охлаждения.
Свободная турбулентность важна для аэродинамики, гидродинамики, климатологии и многих инженерных задач, связанных с перемешиванием и транспортом веществ.
Моделирование турбулентных потоков остаётся одной из ключевых задач вычислительной гидродинамики из-за сложности явления и необходимости точного прогнозирования.

Ключевые формулы и определения

Параметр	Обозначение	Формула / описание
Давление насыщенного пара	P_пара	Зависит от температуры, по Клапейрону-Клаузиусу
Теплота испарения	L	Кол-во теплоты на переход из жидкости в пар
Уравнение Рейнольдса	—	Усреднённые уравнения движения с турбулентными напряжениями
Коэффициент теплоотдачи при кипении	h_кип	Определяет интенсивность теплопередачи при кипении
Коэффициент теплоотдачи при конденсации	h_c	Определяет интенсивность отвода тепла при конденсации