Возникновение и структура турбулентности

«Когда я встречусь с Богом, я задам ему два вопроса: Почему существует относительность? И почему существует турбулентность? Думаю, на первый вопрос у него точно будет ответ».

Вернер Гейзенберг

Как предсказать и количественно определить векторную турбулентность с точки зрения инженера, ведь большинство жидких потоков, с которыми нам приходится иметь дело, по своей природе являются турбулентными. Помимо прочего, сама форма движения жидкости и газа сложны и трудно прогнозируемы, и причина этой сложности во многом связана с турбулентностью. Так, что же такое турбулентность? Это  особая форма движения, которая изменяется в пространстве и во времени. А сами  турбулентные движения, как правило, случайны и хаотичны, но иногда могут носить довольно регулярный и упорядоченный характер.

Для большинства современных ученых турбулентный поток – это всегда некий раздрай, потому как универсальное определение не дает полноты картины турбулентного потока. Для того, чтобы вы смогли самостоятельно определить и распознать турбулентный поток, существуют некоторые характеристики. Главная из них – непредсказуемость, когда поток беспорядочный, буквально по определению хаотичный. И это значит, что такой поток сильно зависит от начальных условий, и если что-то изменить в текущей среде, то это полностью изменит конечное состояние, тем самым нельзя заранее предсказать поведение турбулентного потока. Все, что остается говорить о нем – статистически. Конечно, есть уравнение Навье-Стокса  (Navies Stokes), подразумевающее описание поведения любых потоков и сред, включая турбулентные, но их крайне сложно решить.

Есть даже премия в миллион долларов, любому, кто хотя бы совершит прогресс в понимании этих уравнений, чтобы объяснить турбулентность. 

Одной из определяющих характеристик турбулентного потока является тот факт, что он состоит из множества взаимодействующих завитков текучей среды, еще их называют вихрями или воронками. Вихри вы можете наблюдать вечером при закате солнца, когда облака раскатываются по небу в некие причудливые узоры, перья.  Турбулентность может быть невероятно масштабной. Даже поверхность Солнца турбулентна, из-за подъема раскаленной плазмы к поверхности в гигантских конвекционных потоках, и ячеистые структуры на Солнце размером почти с штат Техас. Еще больше турбулентные завихрения на Юпитере, большое красное пятно – вихрь крупнее Земли. Существует огромное количество примеров турбулентности, стоит только оглянуться вокруг и посмотреть на то, что нас окружает. 

Но нас интересует другой  вопрос, так сказать на миллион: почему возникает турбулентность и что ее создает? В науке пока что нет точного ответа на этот вопрос, многие ученые ломали, а может и до сих пор ломают голову над поиском истины,  и однажды, вот точно также не найдя ответа, горячо в сердцах произнес культовую фразу  немецкий физик-теоретик Вернер Гейзенберг: «Когда я встречусь с Богом, я задам ему два вопроса: Почему существует относительность? И почему существует турбулентность? Думаю, на первый вопрос у него точно будет ответ».

Факторы, приводящие к возникновению турбулентности, достаточно разнообразны и связаны с нарушением устойчивости основного движения. Возникновение турбулентности приводит к разделению всей массы движущейся силы на отдельные объемы, совершающие индивидуальные движения, при сохранении своего участия в общем движении. Турбулентность возникает как в жидкостях, так и в газах. Нарушение устойчивости основного движения характерно для взаимодействия двух сред различной плотности. В жизни вы можете наблюдать невооруженным взглядом, как впадает пресноводная река в море, тем самым вы видите, как образуются границы раздела, при разрушении которых возникает турбулентность.  

Английский механик, физик и инженер, а также основатель учений турбулентности – Осборн Рейнольдс (23.08.1842 — 21.02.1912гг.) экспериментально установил, что устойчивость ламинарного течения в трубе определяется безразмерным параметром, включающим в себя диаметр трубы, скорость течения и вязкость жидкости. Этот параметр был назван в его честь – числом Рейнольдса. Заключается он в том, что введенная Рейнольдсом безразмерная величина превышает некоторое критическое значение.

Ламинарность течения (прим.: от лат. lāmina — «слой»— течение, при котором жидкость или газ перемещаются слоями без перемешивания и пульсаций, то есть, без беспорядочных быстрых изменений скорости и давления. До 1917 года в российской науке пользовались термином струйчатое течение), сохраняется лишь при значении числа Рейнольдса,  и для движения в трубе она не превышает 2300. 

Стоит отметить, что ламинарность течения, в открытых потоках, сохраняется при числе Рейнольдса не более 580. Тем самым, превращение ламинарного движения в турбулентное происходит не сразу, а постепенно, с увеличением скорости в некотором диапазоне чисел Рейнольдса, близких к критическому значению 2300. Устойчивость движения нарушается, нарастает количество турбулентных зон, между которыми движение остается ламинарным, таким образом, течение оказывается перемежающимся, то ламинарным, то турбулентным. 

Отношение периода турбулентного движения к общему периоду движения называется коэффициентом перемежаемости. С увеличением степени турболизации потока, коэффициент перемежаемости увеличивается, а при полной турболизации – достигает единицы.  

Турбулентность приводит к интенсивному обмену импульсами между слоями движущейся жидкости или газа, и редкому возрастанию касательных напряжений. В результате взаимодействия отдельных масс жидкости движутся хаотически, возрастают энергетические потери в потоке и изменяется физическая природа касательных напряжений. Развитие турбулентности в потоке зависит от шероховатости речного русла или канала, от уровня начальных возмущений, и от условий формирования потока, если на начальном участке течения есть редкие расширения и перепады уровня, приводящие к соударению струй и образованию вихревых зон – турбулентность развивается более интенсивно. При обтекании тел вблизи на поверхности образуется пограничный слой, в котором течение становится турбулентным лишь на некоторое расстояние от передней кромки. Это расстояние зависит от конфигурации тела и определяется скоростью и вязкостью жидкости, при этом число Рейнольдса в среднем близится к 400 000. 

Наличие выступов и неровностей на поверхности тела уменьшает значение числа Рейнольдса, турбулентное возмущение в пограничном слое возникают в виде отдельных пятен на жесткой границе. Но уже с увеличением числа Рейнольдса – число образующихся турбулентных пятен нарастает, течение становится все более турбулентным. Пятна растут, сворачиваются в полосы, которые вытягиваются, проникают в толщу потока и разрушаются. Жидкость при этом интенсивно перемешивается и как бы «вскипает».

При обтекании тел площадь занятая вихревыми образованиями называется турбулентным следом. Неустойчивое вихревое течение в следе влияет на величину давления в кормовой зоне обтекаемого тела. Величина давления сильно пульсирует во времени, тем самым аэродинамический след, например, за автомобилем, подобен следу за телом движущимся в жидкости. Поиски новых форм направлены на уменьшение аэродинамического сопротивления, связанного с турбулентностью. Оптимальные формы конструкции отрабатываются на основе модельных испытаний в лаборатории, что приносит значительный экономический эффект. 

След образуется не только за движущимся телом, но и при обтекании потоком неподвижных объектов. Размеры или, как говорят, масштабы турбулентных вихрей L в близи тела зависит от размера тела, или от диаметра цилиндра. Вихри размером L перемещаясь со скорость U следуют с чистотой N равной отношению скорость к размеру вихря. 

Турбулентный характер обтекания влияет на распределение давления по поверхности шара и на общую величину силы, с которой поток действует на шар. Интенсивная турбулентность в следе за шарообразным телом приводит к увеличению давления в его кормовой зоне, и к снижению силы действующей на это тело. 

Уже сегодня с учетом гидродинамических особенностей обтекания тел, шарообразной формы, разработаны многие оригинальные конструкции. Турбулентность воздушного потока является причиной подъема частиц песка и образования варханок. Подобное явление наблюдается и в водных потоках, вследствие этого, в руслах рек образуются рифели и гряды. Турбулентность, возникающая при обрушении волн на берег, приводит к размыву берегов, взвешивании частиц грунта и перемещению их в глубокие зоны акватории. 

Периодичность воздушных вихрей может привести к раскачиванию различных устройств. Известно, что высотные сооружения могут раскачиваться с амплитудой в несколько метров, аналогичные явления водных потоков, при достаточно высоких скоростях обтекания, могут привести к разрушению гидротехнических и других сооружений. Внешне турбулентный вихрь похож на воронку, образующуюся в жидкости, либо на смерч, возникающий в атмосфере. Смерчи и тайфуны представляют собой наиболее мощные проявления крупномасштабной атмосферной турбулентности, которая нередко приводит к катастрофическим последствиям. 

В связи с этим турбулентность является предметом современных научных исследований инженерной гидравлики. Они выполняются с использованием сложных, измерительных устройств, формирующих аналоговый сигнал, который изменяется в зависимости от характеристик турбулентности. Сигнал записывается и затем обрабатывается по достаточно сложным программам, для получения надежных, статистических характеристик турбулентности.

 Исследование турбулентности в атмосфере позволяет повысить точность прогнозов погоды. Результаты исследований используются при проектировании различных гидротехнических, в том числе берегозащитных сооружений, с помощью которых разрушительная энергия волн, превращается в энергию мелкомасштабных, турбулентных вихрей. В ряде случаев, когда необходимо защитить инженерные сооружения, непосредственно от волнового удара, создают специальные волногасящие конструкции. Они разбивают волну на отдельные струи, соударение которых рождают турбулентность и гасит энергию. 

При сооружении гидротехнических комплексов и мощных гидроэлектростанций нужно правильно учитывать разнообразные эффекты, связанные с турбулентностью. Единство закономерности турбулентного движения жидкости и газа позволяет создавать новейшие аэрогидродинамические аппараты. В явлениях аэродинамики, критическое значение числа Рейнольдса, лишь характеризует переход ламинарного течения в турбулентное. Но никак не объясняет причину этого удивительного превращения. Предположительно было установлено, что причины кроются в общей неустойчивости движения, возникающие при определенных условиях. Турбулентность – это одна из наиболее распространенных и пока еще не достаточно изученных форм движения жидкости и газов в технике и в природе. 

Но большая часть турбулентности имеет благоприятный характер: она увеличивает конвективный теплообмен из-за смешивания различных жидкостей;  увеличивает перенос масс и смешивание из-за того, что внутри потока имеется много вихрей и водоворотов; уменьшает сопротивления тела. Именно по этой причине на мячах для гольфа делают много углублений, ведь это необходимо для трансформации ламинарного потока в турбулентный, что способствует  уменьшению силы сопротивления воздуха и дает мячу больше свобод.  

Турбулентность повсюду, внутри нас, вокруг нас, от самых маленьких масштабов и вплоть до огромнейших структур во Вселенной. И она полезна для самолетов, формирует дождевые капли, помогает мячам лететь дальше, а рыбам плыть против течения. Мир подобно турбулентности – беспорядочен, он насыщен и непредсказуем!