Turbulencja

Turbulencja, zwana również ruchem turbulentnym, to chaotyczny i niestabilny ruch cieczy i gazów. W przepływie turbulentnym występują liczne wiry i zawirowania o różnych rozmiarach, gwałtowne fluktuacje prędkości i ciśnienia oraz intensywne mieszanie substancji. Turbulencja pojawia się najczęściej przy wysokich liczbach Reynoldsa, gdy dominuje ruch bezpośredni nad lepkością.

Opis matematyczny turbulencji jest skomplikowany. Ruch ten opisuje równanie Naviera–Stokesa, ale rozwiązanie w pełnym zakresie jest trudne. W praktyce używa się pojęć skalowych: duże skale integralne L, średnie skale oraz najmniejsze skale Kolmogorowa oznaczone symbolem η. Zgodnie z teorią Kolmogorowa energia przepływu przechodzi od dużych eddy do małych w zakresie pasma inertialnego, aż do dyssypacji na skutek lepkości.

Turbulencja ma szerokie zastosowania i konsekwencje w naturze i inżynierii. W atmosferze wpływa na zjawiska pogodowe i komfort lotu samolotów; w inżynierii powoduje straty energetyczne, wibracje i korozję przepływów w rurociągach, turbiny oraz procesach spalania i mieszania substancji.

Mierzenie i modelowanie turbulencji: pomiary prowadzone są m.in. za pomocą anemometru ciepła, a także technik PIV (particle image velocimetry). W modelowaniu stosuje się DNS (direct numerical simulation) – pełne rozwiązywanie równań Naviera–Stokesa, LES (large-eddy simulation) oraz RANS (Reynolds-averaged Navier–Stokes). Turbulencja pozostaje złożonym zjawiskiem, które wciąż stanowi aktywny przedmiot badań teoretycznych i zastosowań inżynieryjnych.