Классификация турбулентных явлений

Турбулентность — это сложное динамическое явление в жидкостях и газах, проявляющееся хаотическими и непредсказуемыми колебаниями скорости и давления. Для системного изучения турбулентности необходимо классифицировать её по различным критериям, учитывающим физическую природу, масштабы, механизмы возбуждения и характеристики течения.

По характеру течения

  1. Гомогенная и негаомогенная турбулентность

    • Гомогенная турбулентность характеризуется статистической однородностью во всех точках рассматриваемой области. Средние величины не зависят от координат. Пример: турбулентность в большой трубе при развитом стационарном течении.
    • Негомогенная турбулентность проявляется в системах с градиентами скорости или плотности, где турбулентные характеристики изменяются от точки к точке. Пример: пограничный слой на поверхности тела или атмосфера с вертикальной стратификацией.

  2. Изотропная и анизотропная турбулентность

    • Изотропная турбулентность обладает одинаковыми статистическими свойствами по всем направлениям. Она часто используется как идеализированная модель в теории турбулентности.
    • Анизотропная турбулентность наблюдается в присутствии внешних границ или сил (например, турбулентность вблизи стенок, в гравитационном поле, при наличии магнитного поля).

По интенсивности и масштабу

  1. Слабая турбулентность Возникает при малых возмущениях и сравнительно низких числах Рейнольдса. Поток сохраняет большую часть структуры ламинарного течения. В этом режиме можно использовать линейные модели для анализа возмущений.

  2. Развитая турбулентность Наблюдается при больших числах Рейнольдса, когда хаотические колебания полностью подавляют упорядоченную ламинарную структуру. В таком случае потоки демонстрируют широкий спектр пространственных и временных масштабов.

  3. Большомасштабная и маломасштабная турбулентность

    • Большомасштабная турбулентность формируется за счет энергетических входов (например, геометрические неровности или крупные вихри) и определяет общий характер течения.
    • Маломасштабная турбулентность — это турбулентные структуры, которые возникают вследствие переноса энергии от больших вихрей вниз по шкале к вязким, где энергия рассеивается в тепло (процесс диссипации).

По источнику возбуждения

  1. Вынужденная турбулентность Возникает под действием внешних сил, например, градиентов давления, механических возмущений или турбулентных генераторов. Такие потоки позволяют экспериментально контролировать параметры турбулентности.

  2. Самовозбуждающаяся турбулентность Развивается из внутренних нестабильностей самого потока, без внешнего принудительного воздействия. Пример: переход ламинарного потока в трубе к турбулентному при превышении критического числа Рейнольдса.

По динамическим свойствам

  1. Стационарная турбулентность Характеризуется постоянными во времени статистическими свойствами потока. Средние скорости, дисперсии и корреляции остаются неизменными при длительном наблюдении.

  2. Нестационарная турбулентность Статистические свойства потока изменяются во времени, что типично для природных течений, атмосферных и океанских систем. Пример: турбулентность в вихрях ураганов или при смене режима течения в реке.

По степени сжимаемости

  1. Несжимаемая турбулентность Поток жидкости или газа рассматривается как несжимаемый. Основное внимание уделяется вихревой структуре и переносу импульса.

  2. Сжимаемая турбулентность Включает эффекты изменения плотности, давление играет существенную роль в формировании турбулентных структур. Пример: высокоскоростной поток газа, ударные волны и турбулентные струи в аэродинамике.

По энергетическим характеристикам

  1. Вихревая турбулентность Доминация вихрей различной величины. Энергия течения распределена между масштабами вихрей.

  2. Волновая турбулентность Энергетические возмущения распространяются преимущественно в форме волн. Пример: турбулентность в плазме или в океанских волнах.

По природе среды

  1. Гидродинамическая турбулентность Характерна для жидкостей и газов, основной механизм — неустойчивость потока и вихреобразование.

  2. Магнитогидродинамическая турбулентность Проявляется в электропроводящей жидкости под влиянием магнитного поля. Энергетический перенос связан как с механическими вихрями, так и с магнитными возмущениями.

  3. Многофазная турбулентность Возникает в системах с несколькими фазами (газ–жидкость, жидкость–твердое тело), где турбулентные структуры взаимодействуют с дисперсной средой.

Ключевые моменты

  • Турбулентность невозможно полностью описать простыми уравнениями; классификация позволяет систематизировать подходы к её изучению.
  • Выбор классификации зависит от цели исследования: контроль в лаборатории, прогнозирование природных процессов или анализ инженерных потоков.
  • Для теоретических моделей часто используют идеализированные варианты, такие как изотропная и гомогенная турбулентность, чтобы выделить основные механизмы переноса энергии и масштабного взаимодействия вихрей.
Оглавление