В общем случае минимальная цена деления макроскопического масштаба пространственной ∆l или временной ∆t координаты должна быть достаточно малой, чтобы пренебречь изменением макроскопических физических величин в пределах ∆l или ∆t, и достаточно большой, чтобы пренебречь флуктуациями (случайными отклонениями от среднего значения) макроскопических величин, полученных осреднением микроскопических величин по времени ∆t или элементу пространства (∆l)3. Выбор минимальной цены деления макроскопического масштаба определяется характером решаемой задачи.

Так, при любом из рассмотренных выше способов осреднения скорости можно получить ее макроскопическое значение для каждой "точки" пространства в любой момент времени. Такую скорость назовем конвективной и обозначим W(x,y,z,t). Если система находится в равновесии и неподвижна относительно выбранной нами системы отсчета, обычно связанной с аппаратом, то любая процедура осреднения даст нулевые значения скорости. В неравновесных условиях при движении среды относительно аппарата средние скорости молекул в каждой точке пространства будут отличны от нуля. На практике конвективную скорость определяют экспериментально или рассчитывают, применяя макроскопические уравнения гидродинамики.

Движение макроскопических объемов среды приводит к переносу массы ρ, импульса и энергии ρЕ’ единичного объема (р - плотность или масса единичного объема, - импульс единичного объема, рЕ' - энергия единичного объема).

В зависимости от причин, вызывающих конвективное движение, различают свободную и вынужденную конвекцию. Свободная конвекция обусловлена естественными причинами и происходит, под действием силы тяжести, а вынужденная вызывается искусственно, с использованием насосов, компрессорных машин, перемешивания и т.д.

1.3 Турбулентный механизм

Турбулентный механизм переноса занимает промежуточное место между молекулярным и конвективным механизмами с точки зрения пространственно-временного масштаба. Для создания турбулентного движения необходимо выполнение наибольшего количества условий. Так, молекулярное тепловое движение происходит в любой, в том числе и равновесной, системе, температура которой отличается от абсолютного нуля, т.е. практически всегда. Конвективное движение наблюдается только в неравновесных системах при перемещении макроскопических объемов среды. Турбулентное движение возникает лишь при определенных условиях конвективного движения: достаточные удаленность от границы раздела фаз и неоднородность поля конвективной скорости.

При малых конвективных скоростях движения среды (газа или жидкости) относительно границы раздела фаз ее макроскопические слои движутся регулярно, параллельно друг другу. Такое движение называется ламинарным. Возникающие в реальных условиях случайные или искусственные малые возмущения, изменяющие регулярность движения (шероховатость поверхности, ограничивающей поток, и т.д.), не развиваются с течением времени, а, наоборот, затухают. Однако если и неоднородность скорости, и удаленность от границы раздела фаз превышают определенные значения, устойчивость движения по отношению к малым возмущениям нарушается. Происходит развитие нерегулярного хаотического движения отдельных объемов среды (вихрей). Такое движение называется турбулентным.

Первые исследования режимов движения осуществил в 1883 г. английский физик О. Рейнольдс, изучавший движение воды в трубе с введением в основной поток подкрашенной тонкой струйки. При ламинарном движении тонкая подкрашенная струйка не смешивалась с основной массой движущейся жидкости и имела прямолинейную траекторию. При увеличении скорости потока или диаметра трубы струйка приобретала волнообразное движение, что свидетельствует о возникновении возмущений. При дальнейшем увеличении вышеназванных параметров струйка смешивалась с основной массой жидкости, и окрашенный индикатор размывался по всему поперечному сечению трубы. Отсутствие видимого смешения индикатора при ламинарном движении объясняется малой интенсивностью молекулярного механизма переноса массы в жидкости. Поскольку увеличение конвективной скорости или диаметра трубы не влияет на молекулярный перенос, а интенсивность перемешивания в направлении, перпендикулярном конвективной скорости, существенно возрастает, опыт Рейнольдса свидетельствует о возникновении дополнительного механизма переноса при турбулентном режиме движения, интенсивность которого к тому же выше молекулярного.

Подобно тому, как характеристиками молекулярного движения являются средняя квадратичная скорость молекул и их размер, вводятся аналогичные величины, характеризующие турбулентное движение. Используется понятие масштаба турбулентности, определяющего размер вихрей. В отличие, например, от молекул вихри не являются устойчивыми, четко ограниченными в пространстве образованиями. Они зарождаются, распадаются на более мелкие вихри, затухают с переходом энергии в тепловую (диссипация энергии). Поэтому масштаб турбулентности является осредненной статистической величиной. В литературе известны различные определения этой величины. Наиболее употребительные основаны на статистической одномоментной корреляции (связи) скоростей в различных точках пространства. Можно ввести понятие скорости вихря и рассмотреть ее в лабораторной системе отсчета, т.е. связанной с аппаратом. Однако, поскольку турбулентное движение развивается лишь на фоне конвективного, обычно используют пульсационную скорость , являющуюся скоростью вихря в системе отсчета, движущейся с конвективной скоростью W:

Пульсационная скорость изменяется хаотически по направлению и величине с частотой обратно пропорциональной масштабу вихря. Сложность описания турбулентного движения заключается в широком спектре значений масштаба турбулентности. Наибольшие вихри соизмеримы с масштабом аппарата, а мелкомасштабные имеют размер до 10"6м. В связи с этим возможны различные подходы к описанию турбулентного движения, определяющиеся выбором минимальной цены деления макроскопического масштаба.

Первыйподход состоит в выборе ∆l и ∆t меньших, чем характерные масштабы турбулентного движения. Допустим, ∆l =10-7м, ∆t =10-7с, тогда любые вихри будут рассматриваться как макроскопические объемы, и их движение будет являться конвективным. В этом случае нет необходимости вводить понятие "турбулентный механизм переноса". Недостатком такого подхода является необходимость задания начальных и граничных условий для турбулентно движущейся среды, что практически невозможно, учитывая неоднородность поля скорости, обусловленную огромным количеством мелкомасштабных вихрей.

Второй подход состоит в выборе промежуточных значений ∆l и ∆t. Допустим ∆l =10-3м, ∆t=1с. В этом случае перенос субстанций крупномасштабными вихрями будет рассматриваться как конвективный - детерминированный, а мелкомасштабными - как турбулентный - случайный.