Что такое турбулентность и как она возникает?

Турбулентность воздуха очень похожа на течение реки.

Когда посылка или поток воздуха движется иначе, чем область вокруг него, вы получаете турбулентность при переходе между ними.

Например, если вы находитесь на улице в ветреный день, но стоите за деревом, чтобы «укрыться от ветра». Если вы выйдете из-за дерева, вы почувствуете внезапный «толчок», когда ветер ударит вас. Если это особенно сильный ветер, вы можете даже потерять равновесие на секунду, пока не компенсируете это. Что ж, эти невидимые потоки воздуха действуют на самолет примерно так же.

Обычно это не опасно, и я думаю об этом как о езде по ухабистой дороге. Конечно, в самолете обычно даже безопаснее, потому что даже если вы попали в большую «выбоину», вам не нужно беспокоиться о том, что вас выбросит с дороги на дерево.

Фактическое движение воздуха может быть вызвано несколькими причинами:

• Ветер ударяет что-то (например, здание или гору) и смещает это (точно так же, как камни в реке).
• Воздух нагревается землей, которая затем заставляет его подниматься.
• Погодные явления, такие как фронты, грозы или струйные течения.
• Самолет, движущийся по воздуху, сам по себе вызывает турбулентность (известную как турбулентность в следе ).

Что такое турбулентность?

Турбулентность

• случайный и стохастический

  Каждая реализация турбулентного течения уникальна, а флуктуации скорости очень неравномерны в пространстве и времени.

• диссипативный

  Турбулентность не может сохраняться сама по себе и превращается в ламинарный поток без поступления энергии из окружающей среды (например, среднего сдвига в поле скоростей или плавучести). Уменьшение вязкости в потоке не устраняет диссипацию, а лишь перемещает диссипацию во все более уменьшающиеся масштабы.

• диффузный

  Усредненный по времени скаляр, транспортируемый турбулентным потоком, будет иметь больший шлейф, чем шлейф ламинарного потока. Например, если вы введете краситель в реку с плавным течением, а другой — в реку с бурным течением, шлейф красителя покроет большую площадь в бурном потоке.

• трехмерный

  Трехмерная вихревая динамика играет очень важную роль в турбулентности, и в большинстве случаев вы не можете представить турбулентный поток как двумерную задачу.

• происходит в широком диапазоне масштабов

  Это, пожалуй, самое важное отличие. Когда я говорю о масштабе, я имею в виду характерную длину и скорость водоворота или водоворота. Турбулентность возникает в больших масштабах, а энергия переносится во все меньшие и меньшие масштабы. На некотором (очень малом) масштабе начинает происходить диссипация и турбулентность затухает. Особенностью турбулентного потока является энергия во всех масштабах, что в основном означает наличие завихрений всех размеров, и именно взаимодействие между всеми этими завихрениями создает турбулентность.

Как это происходит?

Основное производство турбулентности происходит за счет механического производства и плавучего производства. Турбулентность возникает из-за того, что через эти методы производства в нее вкладывается энергия. Турбулентность затухнет сама по себе, но не прекратится, пока производство не прекратится.

• Механическое производство можно представить как сдвиговой поток или взаимодействие воздуха с двумя разными скоростями. Это также может быть ветер против стены или вокруг какого-то предмета. Градиент скорости на периферии струйного течения представляет собой сдвиговое течение, а пограничный слой, в котором мы живем, большую часть дней представляет собой сдвиговую среду.

• Плавучее производство осуществляется за счет плавучести. Относительно теплые участки поднимаются, и это уравновешивается опусканием, и если вы проследите за этими термиками и спуском между ними и достаточно сильно прищуритесь, вы сможете увидеть водовороты в самых крупных масштабах.

Оба этих метода вкладывают энергию в турбулентность в больших масштабах. Для течений в пограничном слое это может быть порядка километра и более, обычно это высота пограничного слоя. Эти большие водовороты будут иметь свои собственные возмущения, и эти меньшие возмущения представляют собой следующий меньший масштаб. Энергия стекает вниз до тех пор, пока размеры водоворотов не станут достаточно малыми, чтобы вязкость преобладала над силами инерции, а затем энергия теряется из-за турбулентности в виде нагрева. Наложение этих водоворотов на всех масштабах напоминает беспорядочную тряску, и именно так мы воспринимаем турбулентность.