Turbulencje

Turbulencje to chaotyczny, nieregularny ruch płynów i gazów, w którym prędkość i kierunek przepływu zmieniają się w sposób trudny do przewidzenia w krótkich przedziałach czasu. Towarzyszą im wiry o różnej wielkości, silne fluktuacje pola prędkości oraz intensywna mieszanie substancji. Turbulencje występują w naturalnych i technicznych sytuacjach, od atmosfery, przez oceany, po przepływy w silnikach i sieciach rurociągów.

Przepływ jest uznawany za turbulentny zwykle przy wysokiej liczbie Reynoldsa, kiedy siły bezwładności przeważają nad lepkością, prowadząc do tworzenia się nieregularnych struktur. W turbulencji dominują duże wiry, z których energia kaskadowo przekazywana jest do coraz drobniejszych skal, aż ostatecznie ulega utracie energii wskutek lepkości, w mikroskalach Kolmogorowa.

Opis matematyczny turbulencji opiera się na równaniach Naviera–Stokesa. Pełne rozwiane turbulentne pola są zbyt kosztowne obliczeniowo, dlatego stosuje się różne modele turbulencji: bezpośrednie numeryczne rozwiązywanie (DNS), modele dużych wirów (LES) oraz modelowanie RANS, gdzie turbulencje są uwzględniane za pomocą dodatkowych zmiennych i zamknięć.

Znaczenie praktyczne turbulencji obejmuje wpływ na lotnictwo i pozycjonowanie samolotów, prognozowanie pogody i klimatu, projektowanie układów przepływowych, mieszanie chemiczne, a także rozprzestrzenianie zanieczyszczeń. Badania turbulencji łączą obserwacje, eksperymenty laboratoryjne i teoretyczne modele, by lepiej opisać i przewidzieć jej zachowania.