Перегляд вихідного коду сторінки Турбулентна течія

[[Файл:Laminar and turbulent flows.svg|thumb|250px|Схематичне зображення [[ламінарна течія|ламінарної]] (a) і [[турбулентність|турбулентної]] (b) течії в плоскому шарі]]
'''Турбулентність'''&nbsp;— тривимірний нестаціонарний рух рідини, в якому внаслідок розтягування вихорів створюється безперервний розподіл хаотичних пульсацій параметрів потоку (швидкості, тиску і&nbsp;т.&nbsp;д.) в інтервалі довжин хвиль від мінімальних, визначених в'язкими силами, до максимальних, що визначаються граничними умовами течії. (П. Бредшоу).

'''Турбулентність'''&nbsp;— невпорядкований рух, який в загальному випадку виникає в рідинах, газоподібних або крапельних середовищах, коли вони обтікають
непроникні поверхні або ж коли сусідні один з одним потоки однієї і тієї ж рідини рухаються поруч або проникають один в інший. (Т. Карман).

'''Турбулентний рух рідини''' передбачає наявність неврегульованої течії, в якій різні величини зазнають хаотичних змін у часі і по просторових координатах і при цьому можуть бути виділені статистично точні їх осереднені значення. (І. Хінце)<ref>https://cfd.spbstu.ru/agarbaruk/turb_models/Term8_Lec03_description.pdf</ref>
<ref>https://cfd.spbstu.ru/agarbaruk/lecture/turb_models/</ref>. Наочна ілюстрація різниці між турбулентною та [[ламінарна течія|ламінарною течією]] представлено в https://www.youtube.com/watch?v=9A-uUG0WR0w.

== Загальна характеристика ==
[[Файл:False color image of the far field of a submerged turbulent jet.jpg|thumb|right|Візуалізація течії турбулентного струменя, зроблена лазерно-індукованою флуоресценцією. У струмені виставлено широкий діапазон масштабів довжини, важлива характеристика турбулентних потоків.]]

Науковий термін '''турбулентність ''' широко використовується в різних областях сучасної науки. Див. [[турбулентність(значення)]].
  
'''Турбулентним''' називається рух [[рідина|рідини]] ([[газ]]у або {{Джерело?|[[плазма (агрегатний стан)|плазми]]}}), що супроводжується утворенням [[вихор]]ів.

Течія, що відбувається без утворення вихорів, називається [[ламінарна течія|ламінарною]].

Критерієм турбулентності є досягнення [[число Рейнольдса|числом Рейнольдса]] критичного значення:

:::::: '''Re = ρvl/µ,'''

де ρ&nbsp;— [[густина]],

µ&nbsp;— коефіцієнт динамічної в'язкості, v&nbsp;— характерна швидкість течії рідини (газу), l&nbsp;— характерний розмір перешкод.

При малих значеннях числа Рейнольдса добуток характерної для течії швидкості плину на характерні розміри перешкод малий у порівнянні з [[в'язкість|в'язкістю]]. Тому завдяки в'язкості течія зберігає впорядковану структуру. При великих значеннях числа Рейнольдса рух рідини стає турбулентним.

Турбулентну течію маємо, коли число Re більше критичного значення. Для випадку течії води в круглій трубі Re<sub>кр</sub> = 2200. Це критичне значення числа Рейнольдса досить умовне і є результатом певного усереднення численних дослідів. У кожному конкретному випадку критичне значення числа Рейнольдса буде залежати від властивостей стінки труби та наявності початкових збурень у рідині на вході в трубу. [[Ламінарна течія]] спостерігається в дуже в'язких рідинах або за малої швидкості, а також при повільному обтіканні дуже в'язкою рідиною тіл малих розмірів. Зі збільшенням швидкості руху рідини (газу) ламінарна течія переходить у [[турбулентна течія|турбулентну]].

Особливий характер руху частинок рідини в турбулентних течіях вимагає використання для статистичних підходів для визначення їх кількісних характеристик<ref>''Лойцянский Л. Г.'' Механика жидкости и газа: Учебник для вузов.&nbsp;— 7 издание.&nbsp;— Москва, Дрофа, 2003.&nbsp;— 840 с.&nbsp;— ISBN 5-7107-6327-6</ref>.

Турбулентність характеризується такими особливостями:

;[[Іррегулярність]]: турбулентні потоки завжди дуже нерівні. З цієї причини турбулентні проблеми, як правило, розглядаються статистично, а не детерміністично. Турбулентний потік є хаотичним. Проте не всі хаотичні течії бувають турбулентними.

;[[Дифузійність]]: легкодоступна поставка енергії в турбулентних потоках має тенденцію до прискорення гомогенізації (змішування) рідких сумішей. Характеристика, яка відповідає за посилення змішування та збільшення частот маси, імпульсу та транспорту енергії в потоці, називається «дифузійність». Турбулентна дифузія зазвичай описується турбулентним [[коефіцієнт дифузії|коефіцієнтом дифузії]]. Цей коефіцієнт турбулентного дифузії визначається в феноменологічному сенсі за аналогією з молекулярними дифузійними властивостями. Турбулентна дифузія є найпростішим підходом для кількісного аналізу турбулентних течій, і багато моделей були постульовані для її обчислення.

;[[Завихреність]]: турбулентні потоки мають ненульовий вихор і характеризуються сильним тривимірним механізмом вихору, який називається [[вихровий розтяг]]. У динаміці рідини вони по суті є вихорами, що піддаються розтягуванню, пов'язані з відповідним збільшенням компоненти завихрень в напрямку розтягування за рахунок збереження кутового моменту. З іншого боку, вихрове розтягнення є основним механізмом, за допомогою якого каскад енергії турбулентності спирається на встановлення структурної функції ([[Густина потоку енергії]]). Загалом, механізм розтягування передбачає зменшення вихорів у напрямку, перпендикулярному напряму розтягування завдяки збереженню обсягу елементів рідини. Внаслідок цього радіальна шкала довжини вихорів зменшується, і більші структури течії розпадаються на менші структури. Процес продовжується до тих пір, поки невеликі структури не будуть достатньо малими, щоб їх кінетична енергія могла бути перетворена молекулярною в'язкістю рідини в тепло. Саме тому турбулентність завжди є обертальною та тривимірною. Наприклад, атмосферні циклони є обертальними, але їх суто двомірні форми не дозволяють утворювати вихор і тому не бурхливі. З іншого боку, океанічні потоки є дисперсними, але суттєво не обертальними і тому не бурхливі.

;[[Дисипація]]: для підтримки турбулентного потоку потрібне стійке джерело енергії, оскільки турбулентність швидко розсіюється, [[кінетична енергія]] перетворюється на внутрішню енергію за рахунок в'язкого зсувного стресу. Турбулентність спричиняє формування [[вихор]]ів різних масштабів довжини. Більша частина кінетичної енергії турбулентного руху міститься у великомасштабних структурах. Енергетичні «каскади» від цих великомасштабних структур до менш масштабних структур за допомогою інерційного і по суті [[інвазія|інвазивного]] механізму<ref>Інвазивний потік&nbsp;— це потік інвазивної рідини, в якій в'язкість рідини дорівнює нулю</ref>. Цей процес триває, створюючи менші та менші структури, що створює ієрархію вихорів. Зрештою цей процес створює структури, які є досить малими, щоб [[молекулярна дифузія]] стала важливою, і, нарешті, відбувається в'язке розсіювання енергії. Масштаб, за яким це відбувається,&nbsp;— [[Колмогорівський масштаб]].

Через це [[енергетичний каскад]] турбулентного потоку може бути реалізований як суперпозиція спектру коливань швидкості потоку та вихорів [[середній потік|середнього потоку]]<ref>У гідродинаміці потік часто розкладається на "" середній потік ""&nbsp;— і відхилення s від середнього.</ref>. Вихори визначаються як когерентні закономірності швидкості потоку, завихреності і тиску. Турбулентні потоки можуть розглядатися як генеровані та ієрархічні вихори в широкому діапазоні масштабів довжини, а ієрархія може бути описана енергетичним спектром, який вимірює енергію в коливаннях швидкості потоку для кожної довжини ([[хвильове число]]). Масштаби в енергетичному каскаді, як правило, неконтрольовані і сильно несиметричні. Однак, на основі цих масштабів довжини ці вихри можна розділити на три категорії.

;[[Масштаби турбулентності]]
; Інтегральний масштаб часу
інтегральний масштаб часу для лагранжевого потоку можна визначити як:

<math>T = \left ( \frac{1}{<u'u'>} \right )\int_{0}^{\infty} <u'u'(\tau)d\tau</math>

де u '- це коливання (пульсація) швидкості, a <math>\tau</math> часове запізнення між вимірами.<ref name="Tennekes 1972">{{Cite book|title=A First Course in Turbulence|url=https://archive.org/details/firstcourseintur0000tenn|last=Tennekes|first=Hendrik|publisher=The MIT Press|year=1972|isbn=|location=|pages=}}</ref>

;[[Метричні масштаби турбулентності]]: Найбільші масштаби в енергетичному спектрі. Ці вихори отримують енергію від середнього потоку, а також один від одного. Отже, це енергетичні вихори, які містять більшу частину енергії. Вони мають великі коливання швидкості потоку і мають низьку частоту. Інтегральні масштаби довжини високо [[анізотропія|анізотропні]] і визначаються в термінах нормованих двоточкових кореляцій швидкості потоку. Максимальна довжина цих шкал обмежується характеристичною довжиною апарата. Наприклад, найбільший інтегральний масштаб довжини трубного потоку дорівнює діаметру труби (максимальний масштаб турбулентності). У випадку атмосферної турбулентності ця довжина може досягати порядку декількох сотень кілометрів. Інтегральні масштаби довжини можуть бути визначені як:
: <math>L = \left ( \frac{1}{<u'u'>} \right ) \int\limits_{0}^{\infty} <u'u'(r)>dr</math>
: де r&nbsp;— відстань між двома точками вимірювання, а u '- коливання швидкості в тому ж напрямку.<ref name="Tennekes 1972"/>
[[Файл:Cascade turbulente.png|thumb|{{center|Spectre de la turbulence<ref> (en) Christophe Bailly et Geneviève Compte-Bellot, Turbulence, Springer, 2015 (ISBN 978-3-319-16159-4)</ref>}}]]

;[[Колмогорівський масштаб]]

Колмогорівський масштаб&nbsp;— найменші масштаби в спектрі, які утворюють в'язкий діапазон підшарів. У цьому діапазоні дисипація енергії мікротурбулентних потоків залежить від в'язкості середовища. Малі масштаби турбулентності мають високу частоту, що обумовлює локальну турбулентність, [[ізотропність]] та однорідність.

;[[Тейлорівський масштаб]]

Тейлорівський масштаб&nbsp;— проміжні масштаби між найбільшими і найменшими масштабами, які відповідають інерційному підрівню. Масштаби (мікромасштаби) Тейлора не є дисипативною шкалою, у вихорах цього рівня енергія передається від найбільшого до найменшого вихора без розсіювання. Деякі автори не розглядають масштаби Тейлора як характеристичну шкалу довжини вихорів і вважають, що їх каскад енергії містить лише найбільші та найменші масштаби.

Більш докладна презентація турбулентності з акцентом на виклад чисел Рейнольдса, призначена для загального читання фізиків і прикладних математиків, викладена в статтях Бензі та Фріша<ref>{{cite web|url=http://www.scholarpedia.org/article/Turbulence|title=Turbulence|website=Scholarpedia|first1=R.|last1=Benzi|author2-link=Uriel Frisch|first2=U.|last2=Frisch}}</ref> and by Falkovich.<ref>{{cite web|url=http://www.scholarpedia.org/article/Cascade_and_scaling |first=G. |last=Falkovich|website=Scholarpedia|title=Cascade and scaling}}</ref>

Крім того, є багато масштабів метеорологічних рухів; в цьому контексті турбулентність впливає на дрібні рухи.<ref>{{cite book|last=Stull|first=Roland B.|title=An Introduction to Boundary Layer Meteorology|date=1994|publisher=Kluwer|location=Dordrecht [u.a.]|isbn=978-90-277-2769-5|page=20|edition=reprint of 1st}}</ref>

== Теоретичні підходи ==
Для теоретичного опису турбулентності застосовуються різні підходи.

* При статистичному підході вважається, що турбулентність породжує сукупність вихрових елементів різних розмірів{{sfn|Турбулентность. Принципы и применения|с=66|1980}}.

* Іншим підходом є метод спектрального аналізу, який доповнює статистичний підхід{{sfn|Турбулентность. Принципы и применения|с=99|1980}}.

Турбулентні потоки розраховують за деякими середніми за часом і просторово розрахунковими параметрам течії, які називають усередненими. Пульсаційною добавкою швидкості називають різницю між істинною швидкістю '''v'''' в точці '''v<sub>точ</sub>''' і усередненою швидкістю '''ν<sub>сер</sub>.''':

'''v'''' = '''v<sub>точ</sub>'''&nbsp;— '''ν<sub>сер</sub>.'''

Пульсаційні добавки швидкості мають позитивні і негативні значення і є функціями часу і координат, причому ці функції є випадковими функціями. У ряді важливих практичних завдань з достатнім наближенням можна вважати, що вони підкоряються нормальному закону Гауса про розподіл ймовірності.<ref name=":0">[https://studopedia.su/10_72480_turbulentnost-i-ee-osnovnie-statisticheskie-harakteristiki-poteri-napora-pri-turbulentnom-techenii-zhidkosti.html Турбулентность и ее основные статистические характеристики]</ref>

== Характеристики турбулентності<ref>http://azagoskin.ru/wp-content/uploads/2015/12/Chapter_2alt_lit_v1.pdf</ref> ==
* Перша основна характеристика турбулентності&nbsp;— [[інтенсивність турбулентності]]<ref name=":0"/>
* Друга основна характеристика турбулентності&nbsp;— [[масштаби турбулентності]]
* Третя основна характеристика турбулентності&nbsp;— функція F(k) розподілу кінетичної енергії пульсацій по частотах k цих пульсацій у часі.<ref>[http://www.ngpedia.ru/pg574826724w2xXC0005136633/ Енциклопедія нафти і газу]</ref>

== Цікаво ==
За апокрифічною історією, [[Вернер Гейзенберг|Вернера Гейзенберга]] запитали, про що він попросить [[Бог]]а, якщо видасться така можливість. Його відповідь була наступною: ''«Коли я зустрінуся з Богом, збираюся поставити йому два запитання: щодо теорії відносності і турбулентності. Я дійсно вірю, що отримаю відповідь на перше{{джерело}}.»''

== Див. також ==
* [[Мікротурбулентність]]
* [[Макротурбулентність]]
* [[Зона перехідного режиму]]
* [[Зона турбулентного режиму]]
* [[Турбулентність (механіка)]]
* [[RANS]]

== Примітки ==
{{reflist|2}}

== Література ==
* {{МГЕ|nocat=1}}
* ''Світлий Ю. Г., [[Білецький Володимир Стефанович|Білецький В. С.]]'' Гідравлічний транспорт (монографія).&nbsp;— Донецьк: Східний видавничий дім, Донецьке відділення НТШ, «Редакція гірничої енциклопедії», 2009.&nbsp;— 436 с.&nbsp;— ISBN 978-966-317-038-1

== Посилання ==
{{Commonscat|Fluid dynamics}}
{{Commonscat|Fluid mechanics}}
* {{ТС_Буд|частина=Турбулентна течія; Турбулентність|сторінки =197}}
* [http://www.efluids.com/ eFluids], containing several galleries of fluid motion
* [http://web.mit.edu/hml/ncfmf.html National Committee for Fluid Mechanics Films (NCFMF)], containing films on several subjects in fluid dynamics (in [[RealMedia]] format)
* [https://web.archive.org/web/20080228150345/http://www.salihnet.freeservers.com/engineering/fm/fm_books.html List of Fluid Dynamics books]
* [https://www.youtube.com/watch?v=8tSbvSJT0eg&ab_channel=VertDider Турбулентність]
{{Механічний рух}}
{{Метеорологія}}
{{Погода}}
{{ac}}
{{Портали|Метеорологія та кліматологія|Фізика|Техніка}}

[[Категорія:Течії]]
[[Категорія:Турбулентність]]