В гидродинамике различают два основных режима движения жидкости или газа: ламинарное и турбулентное. Ламинарное течение характеризуется упорядоченными слоями жидкости, движущимися параллельно друг другу, при минимальном перемешивании между слоями.
Турбулентное течение — сложный, хаотический процесс, сопровождающийся вихревыми движениями и интенсивным перемешиванием.
Для определения характера течения вводится безразмерный параметр — число Рейнольдса (Re):
$$ Re = \frac{\rho u L}{\mu} $$
где:
ρ — плотность жидкости,
u — характерная скорость течения,
L — характерный линейный размер (например, диаметр трубы),
μ — динамическая вязкость.
При низких значениях Re течение ламинарное, при высоких — турбулентное. Границей обычно считают Re ≈ 2300 для потока в трубе, однако этот порог зависит от геометрии и условий.
Переход к турбулентности сопровождается ростом возмущений в потоке. Малые возмущения при определённых условиях начинают усиливаться, перерастают в неупорядоченные вихри и неустойчивые структуры, вызывая хаотизацию движения.
Механизмы развития турбулентности включают:
Возмущения на границе слоя,
Нелинейное взаимодействие колебаний,
Разрушение вихревых структур.
Интенсивное перемешивание: приводит к более эффективному переносу массы, импульса и тепла.
Широкий спектр масштабов: от крупных вихрей до мельчайших завихрений, вплоть до вязких масштабов.
Случайность и статистический характер: точное описание потока возможно лишь в статистическом смысле.
Турбулентные течения описываются уравнениями Навье-Стокса, однако их точное решение в общем случае невозможно из-за сложности. Поэтому применяют различные подходы:
Рейнольдсовое усреднение уравнений (RANS): для получения статистических характеристик.
Численное моделирование (LES, DNS): для моделирования определенных масштабов турбулентности.
Эмпирические и полуэмпирические модели: на основе экспериментов.
Турбулентность существенно влияет на гидравлику, аэродинамику, процессы тепло- и массообмена. Понимание и управление переходом к турбулентности критично в инженерных задачах — от проектирования трубопроводов и двигателей до метеорологии и океанологии.