Введение
Движение, характеризующееся хаотическими изменениями давления и скорости потока.
В гидродинамике турбулентность, или турбулентный поток, – это движение жидкости, характеризующееся хаотическими изменениями давления и скорости потока. Она противопоставляется ламинарному потоку, который возникает, когда жидкость течет в параллельных слоях, без каких-либо нарушений между ними. Турбулентность обычно наблюдается в повседневных явлениях, таких как волны, быстротекущие реки, бурные облака или дым из трубы, и большинство потоков жидкости, встречающихся в природе или создаваемых в инженерных приложениях, являются турбулентными. Турбулентность вызывается избыточной кинетической энергией в отдельных частях потока жидкости, которая преодолевает демпфирующий эффект вязкости жидкости. По этой причине турбулентность чаще всего возникает в жидкостях с низкой вязкостью. В общем, в турбулентном потоке появляются неустойчивые вихри различных размеров, которые взаимодействуют друг с другом, что приводит к увеличению сопротивления из-за сил трения. Это увеличивает энергию, необходимую для перекачки жидкости по трубопроводу. О наступлении турбулентности можно судить по безразмерному числу Рейнольдса – отношению кинетической энергии к вязкому демпфированию в потоке жидкости. Однако турбулентность долгое время не поддавалась детальному физическому анализу, а взаимодействия внутри турбулентности создают крайне сложное явление. Ричард Фейнман назвал турбулентность самой важной нерешенной проблемой в классической физике. Интенсивность турбулентности оказывает влияние на многие области, такие как экология рыб, загрязнение воздуха, осадки и изменение климата.
Примеры турбулентности
Дым поднимается из сигареты. На первых нескольких сантиметрах дым ламинарный. Дымный шлейф становится турбулентным по мере увеличения числа Рейнольдса с ростом скорости потока и характерного масштаба длины. Обтекание мяча для гольфа. (Это лучше понять, рассматривая мяч для гольфа как неподвижный, а воздух – обтекающим его.) Если бы мяч для гольфа был гладким, то при типичных условиях течение в пограничном слое на передней части сферы было бы ламинарным. Однако пограничный слой отделился бы раньше, поскольку градиент давления изменился бы с благоприятного (уменьшение давления по направлению потока) на неблагоприятный (увеличение давления по направлению потока), создавая большую область низкого давления позади мяча, что приводит к высокому сопротивлению формы. Чтобы предотвратить это, поверхность покрыта углублениями, которые возбуждают пограничный слой и способствуют турбулентности. Это приводит к увеличению сопротивления трению, но смещает точку отрыва пограничного слоя дальше, что снижает общее сопротивление. Турбулентность чистого воздуха, ощущаемая во время полета на самолете, а также плохое астрономическое зрение (размытость изображений, видимых сквозь атмосферу). Большая часть циркуляции в земной атмосфере. Смешивающиеся океанические и атмосферные слои и интенсивные океанические течения. Условия течения во многих промышленных устройствах (таких как трубы, воздуховоды, осадители, газоочистители, динамические скребковые теплообменники и т.д.) и машинах (например, двигателях внутреннего сгорания и газовых турбинах). Внешнее обтекание всех видов транспортных средств, таких как автомобили, самолеты, корабли и подводные лодки. Движение вещества в звездных атмосферах. Струя, выходящая из сопла в неподвижную жидкость. По мере выхода потока во внешнюю жидкость образуются сдвиговые слои, возникающие на кромках сопла. Эти слои отделяют быстродвижущуюся струю от внешней жидкости, и при определенном критическом числе Рейнольдса они становятся неустойчивыми и переходят в турбулентность. Биологически вызванная турбулентность, возникающая в результате плавания животных, влияет на перемешивание океана. Снегозадерживающие щиты работают, вызывая турбулентность в ветре, заставляя его откладывать большую часть снега вблизи щита. Опоры мостов (пирсы) в воде. При медленном течении реки вода плавно обтекает опорные ноги. При более быстром течении с потоком связано более высокое число Рейнольдса. Поток может начинаться ламинарным, но быстро отрывается от ноги и становится турбулентным. Во многих геофизических потоках (реках, атмосферном пограничном слое) турбулентность потока определяется когерентными структурами и турбулентными событиями. Турбулентное событие – это серия турбулентных флуктуаций, содержащих больше энергии, чем средняя турбулентность потока. Турбулентные события связаны с когерентными структурами потока, такими как вихри и турбулентные всплески, и играют важную роль в процессах вымывания, аккумуляции и переноса осадка в реках, а также в смешивании и рассеивании загрязняющих веществ в реках и устьях рек и в атмосфере. В кардиологии стетоскоп используется для обнаружения сердечных тонов и шумов, которые вызваны турбулентным кровотоком. У здоровых людей сердечные тоны являются результатом турбулентного потока при закрытии сердечных клапанов. Однако в некоторых случаях турбулентный поток может быть слышен по другим причинам, некоторые из которых патологические. Например, при выраженном атеросклерозе шумы (и, следовательно, турбулентный поток) могут быть слышны в некоторых сосудах, суженных в результате заболевания. В последнее время турбулентность в пористых средах стала предметом активных дискуссий. На стратегии, используемые животными для обонятельной навигации, и их успех сильно влияет турбулентность, воздействующая на шлейф запаха.