Turbulència

Archiu:False color image of the far field of a submerged turbulent jet.jpg

Turbulència

Archiu:Turbulence.jpg

Fluix al voltant d'un obstàcul; el fluix aigües dalt és laminar.

Archiu:Airplane vortex.jpg

Turbulència en el vórtice de punta en l'ala d'un avió

En térmens de la dinàmica de decorreguts, turbulència o fluix turbulento és un règim de fluix caracterisat per baixa difusió de moment, alta convecció i canvis espai-temporals ràpits de pressió i velocitat. Els fluix no turbulentos són també cridats fluix laminares. Un fluix es pot caracterisar com laminar o turbulento observant l'orde de magnitut del número de Reynolds.

Considere el fluix d'aigua sobre un cos simple de configuració geomètrica suau com una esfera. A baixa velocitat el fluix és laminar, és dir que el fluix és suau (encara que puga estar relacionat en vórtices de gran escala). A mida que la velocitat aumenta, en algun moment es passa al règim turbulento. En fluix turbulento, s'assumix que apareixen vórtices de diferents escales que interactuen entre sí. La força d'arrastre per fricció en la capa llímit aumenta. L'estructura i localisació del punt de separació de la capa llímit canvia, a voltes resultant en una reducció de la força d'arrastre global.

Teories sobre la turbulència

Encara que les equacions de Navier-Stokes que es remonten a el XIX descriuen adequadament tant el fluix laminar com el fluix turbulento, el mecanisme concret de l'inici del turbulència va seguir sent un misteri durant molt temps. Experimentalment, s'hi havia vist que la turbulència semblava involucrar vórtices més i més menuts cada volta, pero lloc que els decorreguts estan fets d'àtoms tarde o enjorn s'aplegaria a escales atòmiques a on no podrien existir dits vórtices i en eixe nivell de descripció les equacions de Navier-Stokes no poden constituir una descripció vàlida.

Aixina, inicialment el matemàtic francés Jean Leray va propondre, en 1934, que la turbulència és un efecte macroscòpic de l'estructura atòmica. Les inexactitudes en les dimensions atòmiques en les equacions de Navier-Stokes introduirien efectes no contemplats en estes equacions que es propaguen a nivells més alts, i això és lo que veem com a turbulència. En eixe moment, l'estructura atòmica estava molt de moda com a explicació i dita teoria va ser mantinguda durant algun temps fins que Landau i Hopf varen propondre una idea més realista i experimentalment verificable.

Teoria de Hopf-Landau

Menys d'una década despuix de la proposta de Leray, en 1944, Lev Landau proponia una idea més concreta sobre l'inici de la turbulència. L'artícul de Landau començava aixina:

Encara que s'ha discutit extensament en la lliteratura el moviment turbulento, la verdadera essència d'este fenomen encara carix de la suficient claritat [...] En opinió de l'autor, el problema pot aparéixer en una nova llum si s'examina a fondo el fenomen de l'iniciació de la turbulència.

L.D. Landau, 1944

Landau va considerar la turbulència com el resultat d'un fluix d'un decorregut inicialment estable que adquirix un moviment adicional de vibració, i després un atre i un atre. Aixina una turbulència podia ser inicialment un fluix estable en tres o quatre moviments periòdics superposts, i va idear un mecanisme pel qual quan es desnuga el fluix totalment turbulento el número de moviments periòdics es fa infinitament gran. El mecanisme bàsic de creació de les vibracions adicionals es coneix com forcall de Hopf, en honor a Eberhard Hopf. Per esta raó i perque el propi Hopf en 1948 va propondre una teoria prou més detallada sobre la proposta de Landau esta teoria es va cridar teoria de Hopf-Landau.

Un model simplificat de les equacions de Navier-Stokes de l'holandés Burgers de les equacions que podia ser resolt explícitament, va mostrar que apareixia un fluix turbulento segons la llínea de Landau. Per esta raó durant les tres décades següents la teoria de Hopf-Landau va ser acceptada i utilisada àmpliament. Era simple i comprensible i era accessible per mig de les tècniques clàssiques d'anàlisis de Fourier de manera que permetia fer alguns càlculs aproximats. No obstant, experiments detallats en la década de 1970 varen provar que la teoria de Hopf-Landau no podia competir en una teoria rival proposta inicialment per dos matemàtics.

Característiques de les fluctuacions turbulentas

Archiu:Bourke's Luck Potholes.jpg

Marmitas de jagant redonejades per la turbulència de l'aigua que fa girar blocs i vores rodades també redonejats, que van profundisant i eixamplant eixes marmitas. Es tracta d'un eixemple de turbulència pres de la dinàmica fluvial. No és necessari que les roques que vagen fent eixe treball erosivo tinguen una durea superior a la del fondo del caixer, ya que sabem per l'escala de Mohs que dos roques de la mateixa durea s'raer entre sí, és dir, es desgasten mútuament. Es tracta d'un riu en Suràfrica, Província de Mpumalanga.

La majoria dels decorreguts que es veuen en la naturalea, aixina com en les aplicacions ingenieriles, són turbulentos. Conseqüentment, no es necessita cap comentari extens per a emfatisar que les simulacions numèriques dels fluix turbulentos són de gran importància per als científics, aixina com per a la comunitat ingeniera. Inclús, a pesar de que molts fluix turbulentos poden ser fàcilment observats, és molt difícil donar una definició exacta i precisa de la turbulència. No obstant, la majoria dels investigadors generalment concorden en certes característiques presents en els fluix turbulentos. Observarem llavors el comportament turbulento d'un decorregut en passar un cos esfèric i llistarem les característiques de la turbulència en les quals s'està més d'acort.

Impredecibilidad

L'irregularitat del decorregut quan la corrent se separa, fa una descripció determinista del moviment, la qual es detalla com una funció de les coordenades del temps i l'espai impossibles. La aleatorietat es mostra clarament, la qual és una característica de tots els fluix turbulentos. Açò explica el per qué els métodos estadístics són àmpliament considerats.

Tridimensionalidad de les fluctuacions turbillonarias

El fluix en passar l'esfera és òbviament tridimensional i altament inestable. Note's que la capa aigües avall que emana de la llínea de separació en el cilindre és una regió de forta i coherent torbellinado. En general, la dinàmica dels tribulins juga un rol important en l'anàlisis dels fluix turbulentos.

Difusividad

L'extensió de les fluctuacions de velocitat es torna més forta a mida que la distància de separació aumenta. La difusividad de la turbulència és una de les més importants propietats concernido per les aplicacions ingenieriles (millora de la mescla, transferència de calor i massa).

Ample espectre

Les fluctuacions turbulentas ocorren sobre un ampli ranc d'escales de llongitut i temps excitades en l'espai físic, aplegant fins a l'espectre de banda ampla en espai d'ona numèric.

Per a descriure cuantitativamente el moviment turbulento, és necessari introduir la noció de l'escala de la turbulència: Una escala precisa en temps i espai.

En atres paraules, la turbulència és un problema multiescala en un gran enlazamiento no llineal entre estes escales.

Vore també

• Fluix turbulento
• Fluix laminar
• Capa llímit
• Separació de la capa llímit
• Convecció atmosfèrica
• Entrada en pèrdua
• Envolvente de vol

Bibliografia

• L. D. Landau(1944).44

339-342.

• E. Hopf(1948).1

303-322.