Turbulenssi

Wikipediasta
Siirry navigaatioon Siirry hakuun
Turbulentti virtaus vedessä olevan esteen aikaansaamana.
Laminaari virtaus sukellusveneen keulassa ja virtauksen muuntuminen turbulentiksi.
Turbulentti kärkipyörre.

Turbulenssi on kaasun tai nesteen virtauksen nopeaa nopeuden ja suunnan muutosta ajan suhteen eli heilahduksia. Turbulenssin määritelmä ei ole yksiselitteinen. Heilahdukset ovat kolmiulotteisia ja lisäävät aineen sisäistä sekoittumista, jolloin muun muassa lämmönsiirto ja kemikaalien jne. pitoisuuksien tasaantuminen tehostuvat huomattavasti, esimerkiksi kymmenkertaiseksi. Jos heilahduksia ei ole, niin virtaviivat (esimerkiksi pölyhiukkasten radat) eivät risteä, jolloin kyseessä on laminaarinen virtaus, jonka vastus on pienempi.

Laminaari virtaus muuttuu turbulentiksi, kun aineen sisäiset viskoosit voimat eivät jaksa pitää heilahduksia kurissa. Siirtymä-aluetta sanotaan transitio-alueeksi. Transitiovyökkeen raja on nykyisin menetelmin vaikea laskea ja lisäksi se voi siirtyä. Koska reuna vaikuttaa turbulentin alan suuruuteen, niin esimerkiksi lämmönsiirtotehon laskenta on joskus epätarkkaa.

Viskoosien voimien ja hitausvoimien suhde on nimeltään Reynoldsin luku (Re). Kehittynyt putkivirtaus muuttuu turbulentiksi, kun Re > 2300. Tasovirtaukselle raja on noin 500 000.

Turbulenssi ei ole sama asia kuin pyörre. Esimerkiksi tuulessa talon nurkan takana voi olla paikoillaan pysyvä vakaa pyörre, jossa ei ole turbulenssia. Turbulenssi ei ole myöskään sama asia kuin Kármánin pyörrerata (Reydolsin luvuilla 50..200), joka näkyy pyörteiden irtoamisessa esimerkiksi savupiipun takaa vuorotellen eri puolilta. Pyörre on normaalia kaareutuvaa virtausta, joka voi olla joko laminaarinen tai turbulentti.

Tutkimus[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

Turbulenssi vaikuttaa virtauksen nopeusprofiilien tasoittumiseen kuten kasvanut viskositeetti, siksi turbulenssin mallinnus perustuu useimmiten tähän ns. Boussinesqin approksimaatioon. Yleisimmät tähän perustuvat mallinnustavat ovat k-ε ja k-ω. Muita tapoja ovat muun muassa Large-Eddy Simulation (LES) ja Direct Numerical Simulation (DNS), jossa laskenta tehdään niin tiheässä numeerisen laskennan hilassa, ettei turbulenssia tarvitse mallintaa.

Soveltaminen[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

Luonto ja ihmiset hyödyntävät turbulenssia monin tavoin. Lentokoneen siivissä siiven yläpuolinen virtaus pyritään saamaan turbulentiksi, jolloin virtaus pysyy paremmin kiinni suuremman energiansa ansiosta, eikä koneen siipi sakkaa suurellakaan kohtauskulmalla, jolloin laminaari virtaus irtoaisi siivestä.

Suuremman mittakaavan turbulenssia lentokoneissa matkustavat kutsuvat yleensä ilmakuopiksi [1]. Turbulenssi ei aiheuta kaikkia ilmakuoppia, vaan osa johtuu ilman lämpötilaerojen aiheuttamista nousu- ja laskuvirtauksista.

Lähteet[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

Aiheesta muualla[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

Commons
Wikimedia Commonsissa on kuvia tai muita tiedostoja aiheesta Turbulenssi.