Turbulenssit

Turbulenssit ovat nesteissä tai kaasuissa esiintyviä epäjärjestäytyneitä, nopeita virtaustilanteita, joissa virtausnopeudet ja paineet vaihtelevat sekä ajassa että tilassa. Toisin kuin laminaarisessa virtauksessa, turbulenssissa esiintyy monien pyörteiden muodostumista ja hajoamista, ja virta on arvaamattomampaa. Turbulenssit syntyvät yleisesti silloin, kun nesteen tai kaasun rakenteessa ylittyvät tietyt vakauslähtökohdat, kuten suuri nopeus, suuret paine- tai lämpötilagradientit, tai esteet virtauskentässä. Reynoldsin lukua käytetään kuvaamaan siirtymää laminarisesta turbulenssiin, mutta tarkat rajat riippuvat käytännön tilanteesta.

Ominaisuuksiltaan turbulenssianalyysi nojautuu tilastollisiin ominaisuuksiin: suurissa pyörteissä energian suuruus on suurista pyörteistä peräisin, ja energia siirtyy suurista pyörteistä pienempiin eli energian kadottaminen tapahtuu viskositeetin kautta pienillä asteikoilla. Tämä energian siirto ja pyörteiden aaltoileva rakenne voidaan kuvata Kolmogorov'n teoriassa, jossa pienemmät skaalat ovat yhä vähemmän muistuttavia suurista rakenteista. Turbulenssit ovat yleensä epälikimääräisiä ja niiden tuntemus perustuu tilastollisiin malleihin sekä kokeellisiin mittauksiin.

Ilmasto- ja tekniikkakontekstissa turbulenssit vaikuttavat merkittävästi sekoittumiseen, lämpötilan siirtymään sekä kiihtyviin paine- ja äänitehoihin. Siksi turbulenssien ymmärtäminen ja niiden hallinta ovat keskeisiä esimerkiksi ilmailu- ja energiateollisuudessa sekä meteorologiassa.

Mallintaminen ja mittaus tapahtuvat muun muassa Reynolds-averointeihin (RANS), suurten pyörteiden simulaatioon (LES) ja suorihin numeerisiin simulointeihin (DNS). Mittausmenetelmiä ovat muun muassa kuumakanavilla käytettävät lämpötoimiset anturit, partikkelimellaus ja laserkuvantaminen (PIV).

Turbulenssit voivat esiintyä niin ilmassa kuin merissäkin sekä teollisissa prosesseissa, ja niiden tutkimus on monitieteellistä, yhdistäen fluididynamiikan, tilastotieteen ja mekaniikan.