Turbulents

Turbulentne voolamine ehk turbulents ehk turbulentsus on vedeliku või gaasi voolamine, kus aineosakesed liiguvad korrapäratult, tekitades sageli keeriseid, kuigi samal ajal liigub kogu aine mass voolu suunas. Selline liikumine tekib asjaolust, et aineosakestel on lisaks voolusuunalisele kiirusele veel voolusuunaga ristisuunaline kiirus. Voolamist, mis pole turbulentne, nimetatakse laminaarseks voolamiseks.

Nagu laminaarse voolamise puhul on ka turbulentsel voolamisel vedeliku voolukiirus suurim toru teljel, kuid erinevus maksimaalse ja keskmise kiiruse vahel on oluliselt väiksem. Turbulentsel voolamisel on maksimaalne voolukiirus 1,2 korda suurem keskmisest voolukiirusest, samal ajal kui laminaarsel voolamisel on maksimaalne voolukiirus 2 korda suurem keskmisest voolamiskiirusest.

Tunnusjooned

Turbulentse joa voo visualiseerimine laseriga indutseeritud floerestsentsiga. Juga näitab turbulentsi laia ampluaaga ulatuse skaalat, olulist turbulentse voo tunnusjoont.

Turbulentsi iseloomustatakse järgnevate tunnusjoonte abil:

Ebakorrapärasus

Turbulentsed vood on alati äärmiselt ebakorrapärased. Seetõttu on turbulentsiga kaasnevaid probleeme käsitletud pigem statistiliselt kui deterministlikult. Turbulentne voog on kaootiline, kuid kõik kaootilised vood ei ole turbulentsed.

Difusioonitegur

Kergesti saadaval olev energia turbulentses voos kiirendab vedeliku segude homogeniseerimist (segunemist). Tunnusjoon, mis on tähtis segunemise tõhustamisel ning massimäära, impulsi ja energia transpordi suurendamisel, on difusioonitegur.

Turbulentsi difusiooni iseloomustatakse enamasti turbulentse difusiooni (soojusjuhtivuse) koefitsiendi abil, mis sõltub voolu tingimustest, mitte vedeliku enda eripärast. Turbulentne difusioonitegur on kõige lihtsam moodus turbulentse voo kvantitatiivseks analüüsimiseks ja selle arvutamiseks on palju erinevaid mudeleid postuleeritud. Näiteks suure hulga vee (nt ookeani) puhul võib seda koefitsienti leida Richardsoni seadusega, mis on reguleeritud juhusliku hälbe põhimõttest.

Pööriselusis

Turbulentse voo kiirus ei võrdu nulliga ning seda voogu iseloomustab kolmemõõtmelise pöörise tekkimise mehhanism. Hüdrodünaamikas on turbulentsed vood enamasti keerised, mis on allutatud venitamisele. Venitamine on impulsi säilitamise tõttu omakorda seotud vastava pööriselusise osa tõusule venitamise suunas.

Hajumine

Et hoida turbulentset voogu, on vajalik püsiv energiaallika varu, kuna turbulents hajub kiirelt, kui kineetiline energia muutub viskoosse nihkepinge tõttu sisemiseks energiaks. Turbulents tekitab palju erineva suurusega pööriseid. Enamus kineetilise energia turbulentsest liikumisest sisaldub suureulatuslikes struktuurides, millelt energia „langeb tulvana“ väiksema ulatusega konstruktsioonidele ja neilt omakorda veel väiksematele. Selle protsessi tulemusena tekivad struktuurid, mis on piisavalt väiksed, et molekulaarne difusioon muutub oluliseks ja algab viskoosne energia hajumine. Skaalat, kust see algab, nimetatakse Kolmogorovi ulatuse skaalaks.

Turbulentsi algus

Küünla suitsusammas muutub laminaarsest turbulentseks. Reynoldsi number saab ennustada, kus see muutumine aset võtab

Turbulentsi algust saab ette ennustada Reynoldsi arvu abil, mis on inertsiaalse ja viskoosse jõu suhe vedelikus. See allub erinevate vedelike kiiruste tõttu suhtelisele siseliikumisele. Võime turbulentset voogu ette ennustada on tähtis tööriist paljudele varustustele, nagu torustikud või lennuki tiivad. Reynolds’i numbrit kasutatakse hüdrodünaamika probleemide määramisel ja dünaamilise sarnasuse määramisel kahe erineva vedeliku voolu puhul, näitkes lennuki mudeli ja päris versiooni puhul.

Voolurežiim ja Reynoldsi arv

Vedeliku voolurežiim on oluline vedeliku voolamisel tekkivate energia kadude määramisel, kuna hõõrdetakistuse tegur vedeliku voolamisel on sõltuv voolurežiimist. Vedeliku voolurežiim määratakse arvutuslikul teel, milleks leitakse nn. Reynoldsi arv (R_e). Reynoldsi arv on dimensioonita suurus.

Kuigi puudub teoreem, mis seoks Reynoldsi arvu turbulentse voolamisega, muutuvad kõrge Reynoldsi arvuga voolud üldjuhul turbulentseks ja madala Reynoldsi arvuga voolud jäävad laminaarseks. Näiteks voolamisel silindrilises torus tähendab 4000-st kõrgem Reynoldsi arv väga tõenäoliselt turbulentset voolamist . Kui Reynoldsi arv on väiksem kui 2100, on voolamine laminaarne . Piirkonda nimetataud väärtuste vahel (2100 < R_e < 4000) nimetatakse üleminekualaks. Selles piirkonnas on vedelikul samaaegselt nii laminaarse kui turbulentse voolamise tunnused.

Silindrilises torus avaldub Reynoldsi arv järgmise valemi kaudu

$R_{e}={\frac {vd}{\nu }},\,$

kus v on vedeliku voolukiirus, d on toru siseläbimõõt ning $\nu$ vedeliku kinemaatiline viskoossus.

Vaata ka

• Laminaarne voolamine
• Kaoseteooria