Тұрақты емес ағын және оның физикалық сипаттамалары

Кіріспе

Қысым мен ағын жылдамдығының хаотикалық өзгерістерімен сипатталатын қозғалыс. Сұйықтық динамикасында турбуленттілік немесе турбулентті ағын – қысым мен ағын жылдамдығының хаотикалық өзгерістерімен сипатталатын сұйықтық қозғалысы. Бұл, сұйықтық қатар-қатар қабаттарда ағып, бұл қабаттар арасында бұзылыс болмайтын ламинарлық ағысқа керісінше. Турбуленттілік күнделікті кездесетін құбылыстарда, мысалы, толқындарда, жылдам ағып жатқан өзендерде, құйымдалы дауыл бұлттарында немесе қылыштан шыққан түтінде жиі байқалады, ал табиғатта немесе инженерлік қолдануларда туындайтын сұйықтық ағындарының көпшілігі турбулентті болып келеді. Турбуленттілік сұйықтық ағынының белгілі бір бөліктеріндегі артық кинетикалық энергияның салдарынан пайда болады, ол сұйықтықтың тұтқырлығының демпферлік әсерін жеңіп шығады. Осы себепті турбуленттілік көбінесе төмен тұтқырлыққа ие сұйықтықтарда кездеседі. Жалпы алғанда, турбулентті ағында әртүрлі өлшемдегі тұрақсыз маңайлар пайда болып, бір-бірімен өзара әрекеттеседі, нәтижесінде үйкеліс салдарынан кедергі күшейеді. Бұл құбыр арқылы сұйықтықты соруға қажетті энергияны арттырады. Турбуленттіліктің басталуын болжау үшін өлшемсіз Рейнольдс саны қолданылады, ол сұйықтық ағынындағы кинетикалық энергия мен тұтқыр демпферлеудің арақатынасын көрсетеді. Дегенмен, турбуленттілік ұзақ жылдар бойына толыққанды физикалық талдауға бағынбады, ал турбуленттілік ішіндегі өзара әрекеттесулер өте күрделі құбылыс тудырады. Ричард Фейнман турбуленттілікті классикалық физикадағы ең маңызды шешілмеген мәселе деп атады. Турбуленттіліктің қарқындылығы балықтардың экологиясы, ауаның ластануы, жауын-шашын және климаттың өзгеруі сияқты көптеген салаларға әсер етеді.

Турбуленттік құбылыстардың мысалдары

Темекіден түтін шығып тұр. Алғашқы бірнеше сантиметрде түтін ламинарлық болады. Түтін бұлты ағын жылдамдығы мен сипаттамалық ұзындық өлшемінің артуымен Рейнольдс санының өсуіне байланысты турбулентті болады. Гольф добының үстінен ағын. (Бұл гольф добын қозғалмайтын, үстінен ауа ағып тұрған деп қарастыру арқылы жақсырақ түсінуге болады.) Егер гольф добы тегіс болса, шардың алдыңғы жағындағы шекаралық қабат ағысы қалыпты жағдайда ламинарлық болар еді. Дегенмен, шекаралық қабат ерте бөлінер еді, себебі қысым градиенті қолайлы (ағын бағытында қысымның төмендеуі) жағдайдан қолайсыз (ағын бағытында қысымның артуы) жағдайға ауысып, шардың артында үлкен төмен қысым аймағын тудырар еді, бұл жоғары формалық сүйреуге себеп болар еді. Бұған жол бермеу үшін беті ойықтармен жабылып, шекаралық қабатты бұзып, турбуленттілікті арттырады. Бұл теріде сүрілудің артуына әкеледі, бірақ шекаралық қабаттың бөліну нүктесін әрі жылжытады, нәтижесінде сүйреу төмендейді. Ұшақтардың ұшу кезінде болатын ашық ауа турбуленттілігі, сондай-ақ астрономиялық көрінудің нашарлауы (атмосфера арқылы көрінетін суреттердің бұлыңдауы). Жер атмосферасының циркуляциясының көп бөлігі. Мұхит пен атмосфераның аралас қабаттары және қарқынды мұхит ағыстары. Көптеген өнеркәсіптік жабдықтардағы (мысалы, құбырлар, арналар, тұндырғыштар, газ тазалағыштар, динамикалық қабырғалық жылу алмастырғыштар және т.б.) ағын жағдайлары және машиналар (мысалы, ішкі жану қозғалтқыштары мен газ турбиналары). Автомобильдер, ұшақтар, кемелер және су асты кемелері сияқты барлық көлік құралдарының сыртқы ағыны. Жұлдыз атмосферасындағы материяның қозғалысы. Соплодан тыныш сұйықтыққа шығатын ағын. Ағын осы сыртқы сұйықтыққа шыққанда, сопло еріндерінен басталатын қиылыс қабаттары пайда болады. Бұл қабаттар жылдам қозғалатын ағынды сыртқы сұйықтықтан бөліп тұрады, ал белгілі бір Рейнольдс санында олар тұрақсыз болып, турбуленттілікке айналады. Суға жүзуші жануарлардың биологиялық түрде тудырған турбуленттілігі мұхит араласуына әсер етеді. Қар қоршаулары желде турбуленттілікті тудыру арқылы жұмыс істейді, осылайша оны қоршаудың жанындағы қар жүктемесінің көп бөлігін түсіруге мәжбүр етеді. Көпір тіректері (пирлер) суда. Өзен ағысы баяу болғанда, су тірек аяқтарының айналасында тегіс ағып өтеді. Ағын жылдам болғанда, ағынмен байланысты жоғары Рейнольдс саны болады. Ағын ламинарлық басталуы мүмкін, бірақ аяқтан тез бөлініп, турбулентті болады. Көптеген геофизикалық ағымдарда (өзендер, атмосфералық шекаралық қабат) ағын турбуленттілігін үйлесімді құрылымдар мен турбулентті оқиғалар басып озады. Турбулентті оқиға – орташа ағын турбуленттілігінен артық энергияны қамтитын турбулентті флуктуациялардың тізбегі. Турбулентті оқиғалар тұнбалар мен турбулентті жарылыстар сияқты үйлесімді ағын құрылымдарымен байланысты және олар өзендердегі шөгінділерді тазарту, аккреция және тасымалдау, сондай-ақ өзендер мен сағаларда және атмосферада ластаушы заттардың араласуы мен таралуы тұрғысынан маңызды рөл атқарады. Кардиология саласында жүректің шуын және шуылдарын анықтау үшін стетоскоп қолданылады, олар турбулентті қан ағынына байланысты болады. Дұрыс жағдайда жүрек дыбыстары жүрек қақпақтары жабылып жатқандағы турбулентті ағынның нәтижесі болып табылады. Алайда, кейбір жағдайларда турбулентті ағын басқа себептерге байланысты естілуі мүмкін, олардың кейбіреулері патологиялық. Мысалы, артериосклероздың асқынған түрінде, ауру процесінен тарылған кейбір тамырларда шуылдаулар (осылайша, турбулентті ағын) естілуі мүмкін. Жақында кезекті ортадағы турбуленттілік қызу талқылаулардың нысанына айналды. Жануарлардың иіс сезу арқылы навигациялауға қолданатын стратегиялары мен олардың табысы иіс қаптамасына әсер ететін турбуленттілікке қатты тәуелді.

Smoke rising from a cigarette. For the first few centimeters, the smoke is laminar. The smoke plume becomes turbulent as its Reynolds number increases with increases in flow velocity and characteristic length scale. Flow over a golf ball. (This can be best understood by considering the golf ball to be stationary, with air flowing over it.) If the golf ball were smooth, the boundary layer flow over the front of the sphere would be laminar at typical conditions. However, the boundary layer would separate early, as the pressure gradient switched from favorable (pressure decreasing in the flow direction) to unfavorable (pressure increasing in the flow direction), creating a large region of low pressure behind the ball that creates high form drag. To prevent this, the surface is dimpled to perturb the boundary layer and promote turbulence. This results in higher skin friction, but it moves the point of boundary layer separation further along, resulting in lower drag. Clear air turbulence experienced during airplane flight, as well as poor astronomical seeing (the blurring of images seen through the atmosphere). Most of the terrestrial atmospheric circulation. The oceanic and atmospheric mixed layers and intense oceanic currents. The flow conditions in many industrial equipment (such as pipes, ducts, precipitators, gas scrubbers, dynamic scraped surface heat exchangers, etc.) and machines (for instance, internal combustion engines and gas turbines). The external flow over all kinds of vehicles such as cars, airplanes, ships, and submarines. The motions of matter in stellar atmospheres. A jet exhausting from a nozzle into a quiescent fluid. As the flow emerges into this external fluid, shear layers originating at the lips of the nozzle are created. These layers separate the fast moving jet from the external fluid, and at a certain critical Reynolds number they become unstable and break down to turbulence. Biologically generated turbulence resulting from swimming animals affects ocean mixing. Snow fences work by inducing turbulence in the wind, forcing it to drop much of its snow load near the fence. Bridge supports (piers) in water. When river flow is slow, water flows smoothly around the support legs. When the flow is faster, a higher Reynolds number is associated with the flow. The flow may start off laminar but is quickly separated from the leg and becomes turbulent. In many geophysical flows (rivers, atmospheric boundary layer), the flow turbulence is dominated by the coherent structures and turbulent events. A turbulent event is a series of turbulent fluctuations that contain more energy than the average flow turbulence. The turbulent events are associated with coherent flow structures such as eddies and turbulent bursting, and they play a critical role in terms of sediment scour, accretion and transport in rivers as well as contaminant mixing and dispersion in rivers and estuaries, and in the atmosphere. In the medical field of cardiology, a stethoscope is used to detect heart sounds and bruits, which are due to turbulent blood flow. In normal individuals, heart sounds are a product of turbulent flow as heart valves close. However, in some conditions turbulent flow can be audible due to other reasons, some of them pathological. For example, in advanced atherosclerosis, bruits (and therefore turbulent flow) can be heard in some vessels that have been narrowed by the disease process. Recently, turbulence in porous media became a highly debated subject. Strategies used by animals for olfactory navigation, and their success, are heavily influenced by turbulence affecting the odor plume.