Turbulents
Turbulentne voolamine ehk turbulents on vedeliku või gaasi voolamine, milles aineosakesed liiguvad korrapäratult ja tekitavad keeriseid, kuigi kogu ainemass liigub voolu suunas. Selline liikumine tuleneb sellest, et osakestel on lisaks voolusuunalisele kiirusele ristsuunaline kiirus. Mitteturbulentset voolamist nimetatakse laminaarseks voolamiseks.
Nii laminaarse kui ka turbulentse voolamise korral on vedeliku voolukiirus suurim toru teljel, kuid maksimaalse ja keskmise kiiruse erinevus on turbulentse voolamise korral väiksem. Turbulentses voolamises on maksimaalne kiirus 1,2 korda suurem keskmisest, samas kui laminaarses voolamises on see umbes kaks korda suurem.
Tunnused
[muuda | muuda lähteteksti]
Turbulentsi iseloomustavad tunnused on ebakorrapärasus, difusioonitegur, pööriselusis ja hajumine.
- Ebakorrapärasus
Turbulentsed vood on alati ebakorrapärased. Seepärast käsitletakse turbulentsiga kaasnevaid probleeme pigem statistiliselt kui deterministlikult. Kuigi turbulentne voog on kaootiline, ei ole kõik kaootilised vood turbulentsed.
- Difusioonitegur
Kergesti kättesaadav energia turbulentses voos kiirendab vedeliku segunemist ehk homogeniseerumist. Difusioonitegur on tunnusjoon, mis on tähtis segunemise tõhustamisel ning massimäära, impulsi ja energia transpordi suurendamisel.
Turbulentsi difusiooni iseloomustatakse tavaliselt turbulentse difusiooni (soojusjuhtivuse) koefitsiendi abil, mis sõltub voolu tingimustest, mitte niivõrd vedeliku omadustest. See koefitsient on üks lihtsamaid viise turbulentse voo kvantitatiivseks kirjeldamiseks ning selle leidmiseks on tehtud mitmeid mudeleid. Näiteks suurte veemasside korral võib koefitsiendi arvutada Richardsoni seaduse abil, mis põhineb juhusliku hälbe põhimõttel.
- Pööriselusis
Turbulentse voo kiirus ei võrdu nulliga ning seda voogu iseloomustab kolmemõõtmeliste pööriste teke. Hüdrodünaamikas on turbulentsed vood enamasti keerised, mis alluvad venitamisele. Venitamine on seotud impulsi jäävusega ning põhjustab pööriselusise suurenemist venitamise suunas.
- Hajumine
Turbulentse voo püsimiseks on vaja pidevat energia juurdevoolu, sest ilma selleta hajub turbulents kiiresti: kineetiline energia muundub viskoosse nihkepinge tõttu sisemiseks energiaks. Turbulents tekitab palju eri suurusega pööriseid. Suurem osa kineetilisest energiast on seotud suurte struktuuridega, kust energia kandub edasi väiksematele struktuuridele. Lõpuks on struktuurid piisavalt väiksed, et molekulaarne difusioon muutub oluliseks ja algab viskoosne energia hajumine. Väikseimat skaalat, kus hajumine algab, nimetatakse Kolmogorovi skaalaks.
Turbulentsi algus
[muuda | muuda lähteteksti]
Turbulentsi algust saab hinnata Reynoldsi arvu abil, mis on inertsjõu ja viskoosse jõu suhe vedelikus. See allub erinevate vedelike kiiruste pärast suhtelisele siseliikumisele. Turbulentse voo ennustamine on tähtis paljude tehniliste rakenduste puhul, näiteks torustike ja lennukitiibade projekteerimisel. Seda kasutatakse ka hüdrodünaamika probleemide ja dünaamilise sarnasuse määramisel kahe erineva vedeliku voolu korral, näiteks lennuki mudeli ja tegeliku süsteemi võrdlemisel.
Voolurežiim ja Reynoldsi arv
[muuda | muuda lähteteksti]Voolurežiim mõjutab vedeliku voolamisel tekkivaid energiakadusid, kuna hõõrdetakistus sõltub sellest, kas vool on laminaarne või turbulentne. Voolurežiim määratakse Reynoldsi arvu (Re) abil. Reynoldsi arv on dimensioonita suurus.
Kuigi puudub täpne teoreem, mis seoks Reynoldsi arvu otseselt turbulentse voolamisega, on üldine seaduspärasus järgmine: suure Reynoldsi arvu korral muutub vool tavaliselt turbulentsiks, väikese korral jääb laminaarseks. Näiteks silindrilises torus on vool enamasti turbulentne, kui Re > 4000, ja laminaarne, kui Re < 2100.[viide?] Vahemikku 2100 < Re < 4000 nimetatakse üleminekualaks, kus esinevad mõlemad voolurežiimi tunnused.
Silindrilises torus avaldub Reynoldsi arv valemiga:
kus v – vedeliku voolukiirus, d – toru siseläbimõõt ning – vedeliku kinemaatiline viskoossus.
