Turbulence

Dans la dynamique des fluides , la turbulence ou l'écoulement turbulent est un régime d'écoulement caractérisé par chaotique, la propriété que stochastique de change. Ceci inclut la basse diffusion d'élan de , la convection élevée d'élan, et la variation rapide de la pression et de la vitesse dans l'espace et le temps. Couler qui n'est pas turbulent s'appelle l'écoulement laminaire . ( sans dimensions) le nombre de Reynolds caractérise si les états d'écoulement mènent à l'écoulement laminaire ou turbulent ; par exemple pour l'écoulement de pipe, un nombre de Reynolds au-dessus environ de 4000 (un nombre de Reynolds entre 2100 et 4000 est connu en tant qu'écoulement transitoire) sera turbulent. Aux vitesses très basses l'écoulement est laminaire, c., l'écoulement est régulier (bien qu'il peut impliquer des vortexes à grande échelle). Comme les augmentations de vitesse, à un certain point la transition est faites à l'écoulement turbulent. Dans l'écoulement turbulent, les vortexes instables apparaissent sur beaucoup d'échelles et agissent l'un sur l'autre les uns avec les autres. La drague due au frottement superficiel de la couche limite augmente. La structure et l'endroit de la séparation de la couche limite change souvent, parfois ayant pour résultat une réduction de drague globale. Puisque la transition laminaire-turbulente est régie par le nombre de Reynolds , la même transition se produit si la taille de l'objet est graduellement augmentée, ou la viscosité du fluide est diminuée, ou si la densité du fluide est augmentée.

La turbulence cause la formation des remous de beaucoup de différentes balances de longueur. La majeure partie de l'énergie cinétique du mouvement turbulent est contenue dans les structures de large échelle. Le " d'énergie ; cascades" ; de ces structures de large échelle aux structures sur une échelle plus petite par un mécanisme à inertie et essentiellement non visqueux. Ce processus continue, créant de plus petites et plus petites structures qui produit une hiérarchie des remous. Par la suite ce processus crée les structures qui sont assez petites que la diffusion moléculaire devient importante et la dissipation visqueuse de l'énergie ait lieu finalement. La balance à laquelle ceci se produit est la balance de longueur de Kolmogorov de .

Dans la turbulence bidimensionnelle (comme peut être rapproché dans l'atmosphère ou l'océan), l'énergie entre réellement dans de plus grandes échelles. Ceci désigné sous le nom de la cascade inverse d'énergie et est caractérisé par un $k^ {- (5/3)}$ dans le spectre de puissance. C'est la raison principale pourquoi les dispositifs de temps de large échelle tels que des ouragans se produisent.

La diffusion turbulente est habituellement décrite par un coefficient de diffusion turbulent . Ce coefficient de diffusion turbulent est défini dans un sens phénoménologique, par analogie avec les diffusivités moléculaires, mais il n'a pas une véritable signification physique, dépendant des conditions d'écoulement, et pas d'une propriété du fluide, elle-même. En outre, le concept turbulent de diffusivité assume une relation constitutive entre un flux turbulent et le gradient d'un semblable variable moyen à la relation entre le flux et le gradient qui existe pour le transport moléculaire. Dans le meilleur cas, cette prétention est seulement une approximation. Néanmoins, la diffusivité turbulente est l'approche la plus simple pour l'analyse quantitative des écoulements turbulents, et beaucoup de modèles ont été postulés pour la calculer. Par exemple, dans de grandes eaux superficielles comme des océans ce coefficient peut être trouvé using le loi de puissance de s quatre-troisième de Richardson 'et est régi par le principe de la marche aléatoire . Dans les fleuves et les grands courants d'océan, le coefficient de diffusion est indiqué par des variations de la formule de l'aîné.

En concevant les systèmes sifflants, l'écoulement turbulent exige une entrée plus élevée d'énergie d'une pompe (ou de ventilateur) que l'écoulement laminaire. Cependant, pour des applications telles que des échangeurs de chaleur et des navires de réaction, l'écoulement turbulent est essentiel pour le bons transfert et mélange de chaleur.

Tandis qu'il est possible de trouver que quelques solutions particulières du Navier-Charge le mouvement liquide de gouvernement des équations , toutes telles solutions sont instables à de grands nombres de Reynolds. La dépendance sensible à l'égard les conditions d'initiale et de frontière fait l'irregular de flux de fluide à temps et dans l'espace de sorte qu'une description statistique soit nécessaire. Le russe Andrey Kolmogorov de mathématicien du a proposé la première théorie statistique de turbulence, basée sur la notion de la cascade (l'énergie traversent des balances) et de l'individu-similitude. En conséquence, les micro-échelles de Kolmogorov de ont été baptisées du nom de lui. On le sait maintenant que l'individu-similitude est cassée ainsi la description statistique est actuellement modifiée . Toujours, la description complète de la turbulence demeure l'un des problèmes non résolus de dans la physique . Selon un apocryphe Werner Heisenberg d'histoire on a demandé ce qu'il demanderait à Dieu , donné l'occasion. Sa réponse était : " ; Quand je rencontre Dieu, je vais lui poser deux questions : Pourquoi relativité ? Et pourquoi turbulence ? Je crois vraiment qu'il aura une réponse pour le first." ; Un jeu d'esprit semblable a été attribué à l'agneau (qui avaient édité un manuel remarquable sur l'hydrodynamique ) - son choix de Horace de étant la mécanique quantique De (au lieu de la relativité) et turbulence. L'agneau a été cité comme disant dans un discours à l'association britannique de pour l'avancement de la Science , " ; Je suis un vieil homme maintenant, et quand je meurs et vais au ciel il y a deux sujets sur lesquels j'espère l'éclaircissement. On est l'électrodynamique de Quantum de , et l'autre est le mouvement turbulent des fluides. Et au sujet de l'ancien je suis plutôt optimistic." ;

Exemples de turbulence

fumée se levant d'une cigarette . Les centimètres premiers, l'écoulement demeure laminaire, et puis devient instable et turbulent pendant que l'air chaud en hausse accélère vers le haut. De même, la dispersion des polluants dans l'atmosphère est régie par des processus turbulents.
Écoulement au-dessus d'une boule de golf . (Ceci peut mieux être compris en considérant comme étant la boule de golf stationnaire, avec de l'air circulant sur lui.) Si la boule de golf étaient lisse, l'écoulement de la couche limite au-dessus de l'avant de la sphère serait laminaire aux conditions typiques. Cependant, la couche limite séparerait tôt, comme gradient de pression commuté de favorable (pression diminuant dans le sens d'écoulement) à défavorable (pression augmentant dans le sens d'écoulement), créant une grande région de basse pression derrière la boule qui crée la drague élevée de forme de . Pour empêcher ceci de se produire, la surface est embrévée pour perturber la couche limite et pour favoriser la transition à la turbulence. Ceci a comme conséquence un frottement superficiel plus élevé, mais déplace le point de séparation de la couche limite plus loin le long, ayant pour résultat la drague inférieure de forme et la drague globale inférieure.
Le mélange d'air chaud et froid dans l'atmosphère par le vent, qui cause la turbulence de Clair-air de a éprouvé pendant le vol d'avion, aussi bien que le pauvre voyant astronomique (le flou des images vues par l'atmosphère.)
La majeure partie de la circulation atmosphérique terrestre
Le océanique et atmosphérique a mélangé les couches et les courants océaniques intenses.
Les conditions d'écoulement dans les beaucoup équipement industriel industriel (tel que des pipes, des conduits, des précipitateurs, des épurateurs de gaz, etc.) et machines (par exemple, moteurs à combustion interne et turbines à gaz).
L'écoulement externe au-dessus de tout le genre de véhicules tels que des voitures, des avions, des bateaux et des sous-marins.
Les mouvements de la matière en atmosphères stellaires.
Un gicleur épuisant d'un bec dans un fluide tranquille. Pendant que l'écoulement émerge dans ce fluide externe, des couches de cisaillement commençant aux lèvres du bec sont créées. Ces couches séparent le gicleur rapide du fluide externe, et à un certain nombre de Reynolds critique elles deviennent instables et décomposent à la turbulence.
Voitures de course incapables de se suivre par les coins rapides dus à la turbulence créée en la principale voiture causant le sous-vireur. En conditions venteuses et/ou sur l'autoroute votre véhicule obtient secoué par leur sillage.
Appuis ronds de pont sous l'eau. En été quand le fleuve coule lentement l'eau entre sans à-coup autour des jambes de soutien. En hiver l'écoulement est plus rapide, ainsi un nombre de Reynolds plus élevé, ainsi l'écoulement peut commencer laminaire mais est rapidement séparé de la jambe et devient turbulent.

Voir également

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voyant astronomique
Dispersion atmosphérique de modelant
Théorie de chaos de
turbulence de Clair-air de
Courants descendants * dynamique des fluides
Équation de Darcy-Weisbach de
Remous
Le Navier-Charge les équations
La loi de Poiseuille de
Mesocyclones * nombre de Reynolds
Bowling d'oscillation de
Velocimetry
Vortex
Générateur de tourbillons
Turbulence de sillage
Vortexes de saumon de
Soufflerie

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