ЖЭТФ, 2022, том 162, вып. 6 (12), стр. 985-990
© 2022
ГИДРОДИНАМИКА ТУРБУЛЕНТНОГО СЛОЯ СМЕШЕНИЯ
В.П. Воротилин*
Институт прикладной механики Российской академии наук
125040, Москва, Россия
Поступила в редакцию 26 мая 2022 г.,
после переработки 10 июня 2022 г.
Принята к публикации 13 июня 2022 г.
Разработана теория и проведен расчет турбулентного слоя смешения, завершающий описание класси-
ческих (учебных) вариантов турбулентных течений под общим названием турбулентные течения ¾со
сдвигом¿, ранее рассмотренных для турбулентных струй, турбулентных течений в каналах и турбулент-
ного пограничного слоя [7, 8, 10]. В основе физического механизма предлагаемого подхода, исходя из
факта формирования отрывных вихрей на границах потока, лежала идея переноса сдвига (т.е. трения
между слоями турбулентного потока) из объема потока к его границам. Полученные соотношения описы-
вают геометрическую структуру и динамические особенности поведения слоя в безграничном диапазоне
изменения исходных параметров течения.
DOI: 10.31857/S0044451022120185
границы, разделяющей области ламинарного (внеш-
EDN: LFFNME
него) и турбулентного течения, так и различие дей-
ствующих в них физических механизмов. Резуль-
таты современных численных решений уравнений
1. ВВЕДЕНИЕ
Навье-Стокса [1,6] дают описание картины турбу-
лентных течений во всем многообразии определяю-
Турбулентный слой смешения (далее ТСС) об-
щих ее условий. Но они не проясняют действия фи-
разуется в результате потери устойчивости двух па-
зических объективных законов, управляющих ме-
раллельных соприкасающихся потоков, движущих-
ханизмом турбулентности, и поэтому не позволяют
ся с различными скоростями. Исследование зако-
оценить значение и роль вычисляемых характери-
номерностей развития ТСС является частью общей
стик течения в процессе развития слоя. В лучшем
теории турбулентных струй, поскольку эта стадия
случае (в идеале) их можно рассматривать толь-
движения потока предшествует режиму развитого
ко как эквивалент турбулентности, реализуемой в
течения турбулентной струи. С практической точки
экспериментальных измерениях. Суть предлагаемо-
зрения течения подобного рода представляют инте-
го подхода к описанию ТСС заключается в том, что
рес также при исследовании атмосферных явлений
действие физических механизмов турбулентности в
над просторами морей и океанов [1]. Используемые
своем главном качестве, т.е. переносе кинетической
в литературе методы теоретического описания ТСС,
энергии потока к энергии турбулентных пульсаций,
как, впрочем, любых других типов турбулентных те-
ранее разработанных для струй [7] и течений в кана-
чений со сдвигом, основаны на уравнениях полуэм-
лах [8], переходит из объема потока к его границам
пирической теории турбулентной вязкости и ограни-
и связано с образованием отрывных вихрей на гра-
чены незначительным различием скорости и плот-
ницах потока. Для течений в каналах факт их су-
ности смешиваемых потоков [2-5]. При этом грани-
ществования позволил описать эффективную шеро-
цы слоя в объеме потоков формально задаются как
ховатость в законе сопротивления как средний объ-
те линии, где скорость течения в слое отличается
ем отрывных застойных зон на единице поверхности
от скорости внешнего течения на некоторую малую
стенки, а для турбулентных струй вывести выраже-
величину (чаще всего на один процент). И таким
ние для скорости захвата внешней среды и написать
образом, исчезает как факт реально существующей
замыкающее уравнение баланса массы турбулент-
ной жидкости (что в данной работе будет выполнено
* E-mail: VPVorotilin@yandex.ru
985
12
ЖЭТФ, вып. 6 (12)
В.П. Воротилин
ЖЭТФ, том 162, вып. 6 (12), 2022
и для ТСС). Таким образом, решение самих уравне-
ний для выяснения важнейших характеристик тур-
булентных течений теряет свою актуальность, и для
распределения скоростей по сечению потока стано-
вится возможным использовать упрощенное условие
однородности профиля скорости по сечению пото-
ка, не умаляя при этом сути физических механиз-
мов, определяющих процесс развития ТСС. Грани-
цы ТСС разделяют области внешнего ламинарного
течения и турбулентного течения в ТСС, поэтому
и действие механизма турбулентности на границах
ТСС будет подобно упомянутому для турбулентных
Иллюстративная схема турбулентного смешения двух па-
струй. Однако различие параметров внешних лами-
раллельных потоков с плотностью ρi, движущихся вдоль
нарных потоков обусловливает особенности и мно-
оси Xu со скоростью ui, где i = 1, 2, Qi набегающие на
гообразие режимов течения ТСС, отличающие его
ТСС потоки массы внешней среды; u и ρ средние ско-
от течения турбулентных струй.
рость и плотность потока в слое смешения. Границы слоя
смешения c внешней областью течения отмечены линиями
O1 и O2, δi углы разлета границ слоя, α угол пово-
рота средней скорости в слое
2. ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ И ВЫВОД
УРАВНЕНИЙ, ОПИСЫВАЮЩИХ ПРОЦЕСС
РАЗВИТИЯ ТСС
3. УРАВНЕНИЯ БАЛАНСА МАСС,
ИМПУЛЬСА И ЭНЕРГИИ
Для изучения основных закономерностей разви-
тия ТСС рассмотрен простейший вариант смеше-
ния двух параллельных потоков, движущихся вдоль
Уравнения для искомых переменных получим,
оси X системы координат (X, Y, Z), однородных в
составляя балансы их потоков между близкими се-
поперечном направлении (по оси Z) и при X < 0
чениями оси, принимая во внимание углы и ли-
разделенных непроницаемой стенкой. Соприкосно-
нии геометрической структуры ТСС, формирую-
вение и перемешивание потоков происходит, начи-
щих картину смешения потоков, как показано на ри-
ная с точки X = 0. Исходные значения скорости
сунке. Для варианта несжимаемой жидкости сред-
ui, плотности ρi и прочих параметров обозначают-
няя плотность записывается в виде
ся индексом i = 1 в верхней полуплоскости потока
(Y > 0) и индексом i = 2 в нижней полуплоскости.
ρ1s1 + ρ2s2
Исключая этап формирования различного рода пе-
ρ=
,
(1)
реходных структур потока [1], принимается, что с
h
самого начала в результате турбулентного переме-
шивания формируется режим течения ТСС с одно-
где h = s1 + s2, si = βix доля i-го компонента
родным распределением по ширине слоя h, скоро-
смеси в сечении слоя X. Уравнения баланса массы
сти u и плотности ρ. Направление скорости (вдоль
для каждого компонента примет вид
оси Xu) в общем случае образует некоторый подле-
жащий определению угол α с направлением исход-
d(ρ1us1)
ной оси X. Границы слоя, ввиду отсутствия каких-
≡ ρ11 = ρ1u1δ1 - Q1,
dx
либо характерных параметров размерности длины,
(2)
d(ρ2us2)
будут иметь вид прямых, расположенных под уг-
≡ ρ22 = ρ2u2δ2 + Q2,
dx
лом δi относительно оси Xu. Отрезки hi ширины
слоя, поделенные осью Xu, с учетом малости углов
δi (для турбулентной струи в [7] было принято зна-
где Qi
набегающие на ТСС потоки массы внеш-
чение tg δi = 0.1) запишутся в виде hi = δix, h = δx,
ней среды (имеющие разные знаки) в результа-
где δ = δ12. Условная схема потоков вместе с обо-
те ее вытеснения из зоны ТСС. Уравнения им-
значениями искомых и вычисляемых величин, необ-
пульса вдоль и поперек потока, а также кинетиче-
ходимых при выводе уравнений, описывающих раз-
ской энергии с учетом того, что производную лю-
витие ТСС, показана на рисунке.
бой из искомых переменных ϕ можно записать как
986
ЖЭТФ, том 162, вып. 6 (12), 2022
Гидродинамика турбулентного слоя смешения
d(uϕh)/dx = δuϕ, имеют вид
ux(x, y → ∞) = u, где u скорость внешнего те-
чения, даст формальный результат, учитывающий
d(ρu2h)
влияние внешних условий. Исходя из того факта,
≡ δρu2 = δ1ρ1u21 + δ2ρ2u22 - Q1u1 + Q2u2,
dx
что внешняя среда и ТСС это две четко разли-
d(αρu2h)
чимые жидкости, их динамическое взаимодействие
≡ δαρu2 =
dx
можно представить как силу трения, действующую
Q21
Q22
на разделяющих их границах. Поскольку при турбу-
1Q1u1 + δ2Q2u2 -
+
,
(3)
ρ1
ρ2
лентном движении молекулярная вязкость роли не
d(ρu3h)
играет, из соображений размерности следует, что эта
≡ δρu3 =
dx
сила на каждой из границ слоя может быть пропор-
= δ1ρ1u31 + δ2ρ2u32 + u21Q1 - u22Q2 - εh.
циональна только квадрату некоторой комбинации
скоростей движения внешней среды и ТСС:
Параметр ε при стандартном выводе уравнения
Ffr,i = γρi(us - ui)2,
энергии из уравнений Навье-Стокса есть скорость
диссипации кинетической энергии. В предлагаемой
где i = 1, 2, γ константа (для турбулентных струй
теории уравнением энергии формально задается ве-
ее значение на основе опытных данных было при-
личина этого параметра и его физический смысл бу-
нято равным 0.1), us
промежуточная скорость
дет позднее установлен как энергии порождаемых
между ui и средней скоростью струи u. Из условия
при трении на границах ТСС турбулентных вихрей.
непрерывности потока импульса, перетекающего от
Полученная система уравнений содержит семь под-
внешней границы во внутреннюю область ТСС, эту
лежащих определению искомых параметров: u, δi,
же силу можно записать как
βi, Qi (i = 1, 2). Вывод двух недостающих уравне-
Ffr,i = γρ(us - u)2.
ний связан с выяснением механизма захвата внеш-
ней среды и последующего расширения границ слоя,
Отсюда для us и Ffr следуют выражения
поскольку именно его ширина или угол δ (h = δx)
(
)
ρi
определяет особенности его развития.
us = ηi u +
,
ρ1/2u
i
(4)
Ffr,i = γiρi(ui - u)2, γi = γη2i,
4. О МЕХАНИЗМЕ ЗАХВАТА И
где введено обозначение ηi = 1/(1 + (ρi/ρ)1/2).
ТУРБУЛИЗАЦИИ ВНЕШНЕЙ СРЕДЫ
Вывод о том, что закон трения квадратичен по
В литературе попытка качественного (точнее,
скорости, означает, что обтекание возмущенных гра-
на словах) объяснения механизма этого явления
ниц ТСС внешним потоком должно происходить с
была основана на гипотезе существования вязко-
образованием отрывных вихрей. По смыслу деле-
го надслоя на границе турбулентного слоя и внеш-
ния всей области течения на внешнюю безвихре-
ней ламинарной среды толщиной масштаба мини-
вую среду и собственно ТСС указанные отрывные
мальных турбулентных пульсаций λmin [9], в кото-
вихри должны остаться в составе ТСС, играя для
ром завихрение и захват внешней среды происходил
него роль источника турбулентности. Поэтому и им-
под действием сил молекулярной вязкости (viscous
пульс, при трении отдаваемый им ТСС, также дол-
nibbling). Но при этом, поскольку движение турбу-
жен возвратиться ТСС вместе с захваченными вих-
лентной среды не зависит от молекулярной вязко-
рями. От ТСС вихри получают импульс, пропорци-
сти, по аналогии с объяснением механизма диссипа-
ональный разности скоростей u - ui. Отсюда, введя
ции турбулентной энергии утверждалось, что ско-
обозначение vci для скорости захвата вихрей внеш-
рость захвата должна зависеть только от интенсив-
ней среды на каждой из границ слоя, поток возвра-
ности крупномасштабных пульсаций внутри турбу-
щаемого импульса (на единицу поверхности ТСС)
лентной области. Мотивом для предлагаемого в дан-
запишем в виде j = ρivci|u - ui|. Из условия равен-
ной работе, как и в [7, 10], объяснения механизма
ства потоков j и Ffr,i находим выражение для vci:
захвата явился тот пробел гипотезы вязкого над-
vci = γi|u - ui|.
(5)
слоя, что в основе ее допущений исключается об-
ратное влияние скорости внешней среды на движе-
Универсальную применимость полученных формул
ние ТСС. Но достаточно отметить, что, даже ес-
подчеркивает то обстоятельство, что никакие кон-
ли в строгой постановке задачи использовать поня-
кретные свойства турбулентных вихрей, особенно-
тие турбулентной вязкости, то решение с условием
сти механизма их формирования на возмущенной
987
12*
В.П. Воротилин
ЖЭТФ, том 162, вып. 6 (12), 2022
границе ТСС в окончательном виде полученных со-
а первое из них, если с учетом (8), (9) исключить ρ
отношений ни в чем не проявляются. Поток захва-
и δ, в виде
тываемой массы внешней среды на каждой из гра-
ниц ТСС будет равен ρivci. Без умаления общности
ϕ1(u1 - u) - ϕ2(u - u2) = 0.
(12)
в постановке задачи далее принимается, что u1 > u2
Слагаемые данного равенства, как следует из со-
и соответственно u1 > u > u2. Тогда уравнения ба-
отношений (4), (6), имеют физический смысл сил
ланса массы ¾турбулентной¿ жидкости по каждому
трения, действующих на границах слоя, и выража-
из компонент смеси примут вид
ют равенство этих сил. Также, чтобы выяснить в
d(ρ1uh1)
рамках представлений предлагаемой теории смысл
≡ ρ11 = γ1ρ1(u1 - u) ≡ ϕ1,
dx
параметра ε в уравнении энергии, из этого урав-
(6)
d(ρ2uh2)
нения вычтем умноженное на u уравнение для x-
≡ ρ22 = γ2ρ2(u - u2) ≡ ϕ2.
dx
компоненты импульса. В результате несложных пре-
образований с учетом подстановки выражений для
Подчеркнем ¾для ясности¿, что ранее полученные
Qi (10), получим
уравнения баланса масс (2) в отличие от уравне-
ний (6) выводились для всего пространства движе-
εh = γ1ρ1(u1 - u)2u1 - γ2ρ2(u - u2)2u2.
ния потоков и ими фактически задавались потоки
Qi натекания внешней среды на ТСС. Помимо урав-
Аналогично, используя понятие силы трения,
нений баланса масс ¾турбулентной¿ жидкости мож-
члены правой части данного равенства можно трак-
но написать и уравнения баланса объемов, разде-
товать как работу сил трения на границах слоя, ре-
ленных осью Xu и границами слоя, как результат
зультатом которой является преобразование части
приращение объемов слоя на его границах с внеш-
кинетической энергии потока в энергию образую-
ней средой:
щихся турбулентных вихрей. При этом на верхней
d(uhi)
≡ uδi =
ϕi .
(7)
границе слоя энергия вихрей берется за счет кинети-
dx
ρi
ческой энергии внешнего потока, а на нижней за
Как видим, данными уравнениями определяется ве-
счет кинетической энергии самого слоя, и поэтому
личина параметров δi.
в балансе кинетической энергии берется с отрица-
тельным знаком. Таким образом, параметр ε, в от-
личие от существующих представлений, определяю-
5. ПРЕОБРАЗОВАНИЯ И РЕШЕНИЕ
щих этот параметр как скорость диссипации кинети-
ПОЛУЧЕННЫХ УРАВНЕНИЙ
ческой энергии потока, характеризует скорость по-
С учетом (1), (7) для угла δ и средней плотно-
рождения энергии турбулентных вихрей (иначе тур-
сти ρ следуют выражения
булентных пульсаций). Из уравнения (11) при под-
становке ϕi из (6) для скорости u следует выражение
ϕ11 + ϕ12
δ=
,
(8)
u
u1 + ωu
2
u=
,
(13)
ϕ1 + ϕ2
1+ω
ρ=
,
(9)
где обозначено ω = (γ2ρ21ρ1)1/2 ≡ (3 + δ)/(1 + 3δ)
а искомые Qi, исключая переменные βi из уравне-
и σ = (ρ12)1/2. Формулы для плотности слоя ρ,
ний (2), (6), представим в виде
параметров ϕi с учетом соотношений (4), (7) и (9)
Q1 = ρ1u1δ1 - ϕ1, Q2 = -ρ2u2δ2 + ϕ2.
(10)
запишем в виде
1
Полученные выражения для величин ρ, δi, δ и Qi
ρ=
,
(1 + σ)2
при подстановке их в уравнения теории позволя-
(14)
ют выявить неочевидные свойства развития ТСС.
γρ1(u1 - u2)
ϕ1 =
,
ϕ2 = ωϕ1.
В частности, уравнения для x- и y-компонент им-
(3 + σ)(1 + σ)
пульса запишутся в компактной форме
С учетом δi из (7) и u из (13) выражение для угла α,
ρ1ϕ1 + ρ2ϕ2
фактически определяемое уравнением (11), примет
ρu2 =
,
δ
вид
(11)
ϕ21
ϕ22
ϕ1ω(u1 - u2)
αδρu2 = u1ϕ1δ1 - u2ϕ2δ2 -
+
,
αρu2 =
ρ1
ρ2
1+ω
988
ЖЭТФ, том 162, вып. 6 (12), 2022
Гидродинамика турбулентного слоя смешения
Окончательно все геометрические характеристики
2. Вариант µ = 1 - ε, где ε ≪ 1, т.е. для близ-
слоя, т.е. углы α, δ1, δ2, представим в виде, удобном
ких по скорости потоков, u = 1 - ε/(1 + ω) и
для качественной оценки их зависимости от пара-
углы разлета при любых σ малы: δ1, δ2 ≈ γε,
метров ui, ρi:
α≈γε2.
γ
α=
(1 + σ)(1 + 3σ)ξ2,
Особые случаи смешения доставляют вариации
4
параметра σ. В случае σ = 1
2
(15)
4γξ
4γξσ
δ1 =
,
δ2 =
,
3+σ
1 + 3σ
u = (1 + µ)/2, δ1 = δ2 = γξ, α = 2γξ2,
D1 = D2 = ρ1/2,
где введены обозначения ξ = (1-µ)/((1+ωµ)(1+3σ)),
µ = u2/u1. С точки зрения возможной эксперимен-
а в пределе σ → 0
тальной проверки представляют интерес оценки
доли захватываемой массы внешней среды в объем
u = (1 + 3µ)/4, δ1 = γξ/3, δ2 = γξσ2,
ТСС на сечение слоя, записываемые с учетом
α = 4γξ2, D1 = ρ1, D2 = 3ρ1,
равенств βi = δi как Di = ρiδi/(δ1 + δ2) или, после
1-µ
подстановки выражений для δi, в виде
ξ=
4(1 + µ)
ρ1(1 + 3σ)
ρ2σ2(3 + σ)
D1 =
,
D2 =
(16)
Приведенные формулы и оценки параметров
(1 + σ)3
(1 + σ)3
слоя дают наглядную иллюстрацию разнообразия
картин развития и геометрической структуры слоя
6. КАЧЕСТВЕННЫЙ АНАЛИЗ
в зависимости от особых и характерных значений
ПАРАМЕТРОВ ДВИЖЕНИЯ ТСС
параметров, задающих конкретные варианты его
развития. Можно отметить интересный факт: при
Из полученных соотношений видно, что если в
σ → 0, т.е., например, при смешении потока воздуха
роли масштабов скорости и плотности задавать u1
над водой, доля массы захватываемой жидкости в
и ρ1, то все искомые величины, описывающие дви-
единице объема ТСС равна 3ρ1.
жение ТСС, будут зависеть от двух безразмерных
групп, обозначенных как µ и σ и по охвату допу-
стимых вариантов развития слоя изменяющихся в
7. ВЫВОДЫ
пределах 0 ≤ µ < 1 и 0 ≤ σ ≤ 1, где предел
Подводя итоги проведенного исследования про-
σ → 0 соответствует варианту контакта газообраз-
блемы ТПС, отметим некоторые особенности из
ного и жидкого потоков. Под термином ¾качествен-
его результатов. В исходной системе уравнений (3),
ный анализ¿ понимается оценка теоретически выво-
определяющих процесс развития ТСС, а также в
димых физических характеристик ТСС для режи-
соотношениях (7), (8), задающих количественную
мов предельных значений независимых параметров
оценку массы захватываемой внешней среды, в яв-
течения, позволяющая, с одной стороны, в нагляд-
ном виде описание механизма вихреобразования как
ном виде описать особенности развития ТСС, а с
действия сил трения на границах ТСС отсутству-
другой, на примере особых режимов развития слоя
ет. Но неожиданно этот механизм проявляет се-
убедиться в физической непротиворечивости исход-
бя в уравнениях импульса и энергии в результате
ных положений теории. Основной кинематической
проведенных с ними тождественных преобразова-
характеристикой слоя является параметр µ, и для
ний, демонстрируя гармонию внутренних, т.е. неоче-
пределов µ → 0 и µ → 1 имеют место с учетом соот-
видных, взаимосвязей всех параметров и процес-
ношений (13) - (15) следующие оценки параметров
сов, описывающих предложенный механизм разви-
слоя.
тия турбулентного слоя смешения.
В основу понимания и последующего описания
1. В случае µ = 0 неподвижный поток снизу,
механизма турбулентности были положены пред-
u = 1/(1 + ω); при ρ1 = ρ2, т.е. для σ = 1,
ставления о процессе вихреобразования на грани-
скорость в слое равна u = 1/2; углы разлета
цах турбулентного течения слоя смешения. Как
δ1 = δ2 = γ/4, α = γ/8, D1 = D2 = ρ1/2. В
результат динамического взаимодействия ТСС с
пределе σ → 0, т.е. при смешении потока газа и
внешними ламинарными потоками были получены
неподвижной жидкости, u = 1/4, σ1 = (4/3)γ,
выражения для скорости захвата (турбулизации)
δ2 = 4γσ2, α = γ/4, D1 = ρ1, D2 = 3ρ1.
989
В.П. Воротилин
ЖЭТФ, том 162, вып. 6 (12), 2022
внешней среды. Это позволило написать уравне-
ЛИТЕРАТУРА
ние баланса массы турбулентной жидкости (БМТ) и
1. A. VanDine, H. T. Pham and V. Sarkar, J. Fluid
рассматривать геометрическую структуру слоя сме-
Mech. 916, A42 (2021).
шения как реальный физический объект исследо-
вания его свойств. Уравнение БМТ вместе с ин-
2. Г. Шлихтинг, Теория пограничного слоя, Наука,
тегральными уравнениями баланса импульсов со-
Москва (1969).
ставили замкнутую систему уравнений для иско-
мых переменных, описывающих процесс развития
3. A. A. Townsend, The Structure of Turbulent Shear
слоя при наличии множества независимых пара-
Flow, Cambridge Univ. Press, Cambridge (1980).
метров, характеризующих общие условия развития
турбулентного пограничного слоя. Поскольку меха-
4. Турбулентность: принципы и применение, под
низм переноса кинетической энергии потока к энер-
ред. У. Фроста, Т. Моулдена, Мир, Москва
гии турбулентных пульсаций в рамках предлагае-
(1980).
мой теории целиком обусловлен процессом образо-
5. Г. Н. Абрамович, Теория турбулентных струй,
вания вихрей на границах потока, при выводе урав-
Наука, Москва (1984).
нений использовалось условие однородности профи-
ля скорости по сечению потока, не обедняя при этом
6. Z. Cheng and G. Constantinescu, J. Fluid Mech.
сути физических механизмов, определяющих про-
916, A41 (2021).
цесс развития ТСС. Что же касается сравнения с
экспериментальными данными, то результаты пред-
7. В. П. Воротилин, ЖЭТФ 153, 313 (2018).
ставленной теории дают, скорее, повод или для по-
8. В. П. Воротилин, ЖЭТФ 156, 176 (2019).
становки новых экспериментов, или для проведения
численных расчетов, связанных с исследованием по-
9. S. Corrsin and A. L. Kistler, Tech. Rep. TN-
лученных в статье качественных оценок параметров
1244.NACA (1955).
ТСС в зависимости от многообразия внешних усло-
вий его развития.
10. В. П. Воротилин, ЖЭТФ 160, 587 (2021).
990