Turbuliteit

Turbulentie is een stroomtoestand waarin bewegingen onregelmatig en chaotisch zijn, met snelle fluctuaties in snelheid en druk en de vorming van wervels. Turbulente stromingen zorgen voor intensieve menging en transport, in tegenstelling tot laminaire stromingen waarin deeltjes rechtlijnig en voorspelbaar bewegen.

Kenmerken zijn onder meer aanwezigheid van vortices op verschillende schalen en grote variaties in tijd en ruimte. Het begrip is nauw verbonden met het Reynoldsgetal, dat de verhouding tussen inertiële en viskeuze krachten weergeeft; bij hoge Reynoldsgetallen verschijnt meestal turbulentie, afhankelijk van randvoorwaarden en oppervlaktes.

Theorieël wordt turbulentie beschreven door de Navier–Stokes-vergelijkingen. Exakte oplossingen bestaan zelden; Kolmogorov’s theorie levert statistische beschrijvingen van de cascade van energie van grote naar kleine schalen en dissipatie bij de kleinste schalen.

Turbulentie komt veel voor in de natuur en techniek: in de atmosfeer, oceanen, leidingen, motoren en vliegtuigen. Het beïnvloedt drag, warmteoverdracht en geluid, en speelt een sleutelrol in meteorologie, klimaatmodellering en engineering.

Modellering en meting omvatten Directe Numerieke Simulatie (DNS) die alle relevante schalen oplost, Large Eddy Simulation (LES) die grote schalen resolveert en subgrid-modellen gebruikt, en Reynolds-averaged Navier–Stokes (RANS) met turbulentie-modellen zoals k-ε of k-ω. Experimenteel worden PIV, hot-wire anemometrie en schlieren toegepast.

Knelpunten: turbulentie is multischalig en intermittente, waardoor voorspellen en ontwerpen lastig blijven.