Турбулентность и вихри

Турбулентность — сложный, нестационарный режим движения жидкости или газа, характеризующийся хаотическими, нерегулярными и многоуровневыми колебаниями скоростей и давлений.

Природа и возникновение турбулентности

Течение жидкости становится турбулентным при превышении определенного значения безразмерного параметра — числа Рейнольдса:

$$ Re = \frac{\rho v L}{\mu} $$

где ρ — плотность жидкости, v — характерная скорость, L — характерный размер, μ — динамическая вязкость.

При Re ≲ 2300 течение обычно ламинарное.
При Re ≳ 4000 — турбулентное.
Между этими значениями — переходный режим.

Турбулентность возникает из-за неустойчивости ламинарного течения и проявляется в виде вихревых структур разного масштаба.

Характеристики турбулентного движения

Многообразие масштабов: от крупных вихрей до мельчайших завихрений (вихри Эдди).
Неустойчивость и непредсказуемость: течение крайне чувствительно к начальным условиям.
Высокая скорость смешивания: благодаря турбулентным вихрям происходит интенсивное перемешивание массы, импульса и тепла.

Вихри

Вихрь — структура в потоке, где присутствует вращательное движение жидкости или газа вокруг некоторой оси.

Вихри бывают различного масштаба: от крупных, определяющих общую структуру потока, до микроскопических.
Вихревой момент (вихревая кинетическая энергия) играет ключевую роль в перенесении и диссипации энергии в турбулентных потоках.
Основные типы вихрей: тороидальные, соленоидальные, связанные.

Энергетический каскад в турбулентности

В турбулентном потоке энергия передается от крупных вихрей к все более мелким — так называемый каскад энергии. На самых малых масштабах кинетическая энергия преобразуется в тепловую за счет вязких сил.

Этот процесс объясняет, почему турбулентность сопровождается возрастанием диссипации энергии.
Формулы и модели турбулентности учитывают спектр масштабов и взаимодействия между ними.

Уравнения движения в турбулентных потоках

Основные уравнения — уравнения Навье–Стокса, которые в турбулентных режимах решать аналитически невозможно. Для описания применяются:

Средние по времени уравнения (уравнения Рейнольдса) с дополнительными терминами, описывающими турбулентные пульсации.
Турбулентные модели: модели закрытия (например, модель k − ε, k − ω), которые позволяют приблизительно решать задачи практического турбулентного течения.

Ключевые моменты:

Кипение — процесс образования и роста паровых пузырьков, при котором происходит переход жидкости в пар при температуре, зависящей от давления.
Конденсация — процесс перехода пара в жидкость с выделением тепла и образованием капель или пленки.
Турбулентность — сложный нестационарный режим течения, характеризующийся хаотичными колебаниями и интенсивным перемешиванием.
Вихри — локальные вращательные движения, структурные элементы турбулентного потока.
Энергетический каскад и взаимодействие вихрей обеспечивают перенос и рассеяние энергии в турбулентных потоках.