Химическая энциклопедия - турбулентная диффузия

перенос в-ва в пространстве, обусловленный турбулентным движением среды. Под турбулентным понимают вихревое движение жидкости или газа, при к-ром элементы (частицы) среды совершают неупорядоченные, хаотич. движения по сложным траекториям, а скорость, т-ра, давление и плотность среды испытывают хаотич. флуктуации.

Если в турбулентном потоке в определенный момент времени множество элементов (частиц) расположено рядом один с другим, то в послед, моменты времени они рассеиваются по пространству так, что статистич. расстояние между любыми двумя произвольными частицами с течением времени возрастает. Проявления этого процесса во многом напоминают мол. диффузию.

В основе описания T. д. как процесса случайного блуждания частиц среды лежат выражения для среднеквадратичного смешения частиц от нек-рого исходного положения через интервал времени t, сходные с выражениями для мол. диффузии. В случае больших времен процесса рассеяния, когда м. б. использован закон Фика, справедливо равенство:

где лагранжев временной масштаб (с) в направлении переноса; параметр Dt=v²Tкоэффициент T. д. (мат. выражение и физ. смысл см. ниже). Лагранжев коэф. корреляции между пульсациями скорости v (м/с) одного и того же элемента (частицы) среды в разные моменты времени t и t +составляет:

Поскольку T. д. и мол. диффузия независимы, общее смещение частицы будет определяться суммой:

а общий (виртуальный) коэф. диффузии D1. + D, где D - коэф. мол. диффузии. Хаотич. пульсац. движение жидкости (газа), обусловливающее турбулентный поток в-ва, возникает при высоких числах Рейнольдса (см. Подобия теория). Наличие градиентов осредненной скорости течения (см. ниже) приводит к заметному ускорению рассеяния частиц в-ва по направлению турбулентного потока. Его плотность выражают в виде вектора:

где u', с' пульсац. составляющие соотв. вектора скорости движения среды и концентрации переносимого в-ва; < > -оператор осреднения ф-ции по времени в рассматриваемой точке пространства.

Т. д. протекает по-разному в зависимости от масштаба турбулентности. Перенос в-ва при маломасштабной турбулентности описывают по аналогии с мол. диффузией. При крупномасштабной турбулентности среднее квадратичное смещение частиц с течением времени быстро увеличивается, причем этот рост обусловлен преим. крупными вихрями.

Предполагают, что турбулентный перенос в-ва в рассматриваемый момент времени в произвольной точке пространства определяется градиентом осредненной концентрации, взятым в той же точке пространства и в тот же момент времени (гипотеза Буссинеска). Так, плотность турбулентного потока массы в направлении к.-л. из осей координат, напр. *, выражают в виде:

где < с > - средняя по времени концентрация переносимого в-ва в рассматриваемой точке пространства; знак "минус" указывает на уменьшение концентрации в направлении переноса.

Ур-ние (4) служит по существу определением коэф. пропорциональности D т. Этот параметр связывает поток массы при турбулентном режиме течения среды с градиентом осредненной скорости движения. В настоящее время D т. не м. б. определен чисто теоретич. путем.

Используя соотношения, аналогичные законам вязкости Ньютона и теплопроводности Фурье (см. Переноса процессы), вводят коэф. турбулентной кинематич. вязкости v т и турбулентной температуропроводности а т (м ²/с). Последние в отличие от выраженных в тех же единицах измерения коэф. мол. диффузии D, температуропроводности аи кинематич. вязкости v не являются физ.-хим. характеристиками и зависят от параметров осредненного движения среды, а также от положения рассматриваемого элемента ее объема в потоке.

Механизм турбулентного перемешивания в осн. одинаков для внутр. трения, теплои массопроводности. Различие состоит лишь в особых св-вах переносимой пульсац. течением субстанции: импульса (кол-ва движения), в-ва или теплоты. Согласно аналогии Рейнольдса, коэффициенты Т. д., кинематич. вязкости и температуропроводности равны друг другу: D т = V т=а т.. По аналогии с числами Прандтля (Pr = v/a )и Шмидта (Sc = v/D) для мол. диффузии вводят понятие о соответствующих коэф. турбулентного переноса:

При турбулентном переносе вблизи твердых пов-стей величины Pr т и Sc т, на основании эксперим. данных, несколько отличаются от единицы и обычно находятся в пределах 0,5-1,0. Сказанное свидетельствует о том, что мн. сведения относительно