Turbulenssi

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

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

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 . Turbulenssi ei aiheuta kaikkia ilmakuoppia, vaan osa johtuu ilman lämpötilaerojen aiheuttamista nousu- ja laskuvirtauksista.

Aiheesta muualla

• Aalto-yliopiston TKK:n kampuksen laskennallisen virtausmekaniikan ryhmä (Arkistoitu – Internet Archive)
• Falkovich, Gregory and Sreenivasan, Katepalli R.: Lessons from hydrodynamic turbulence, Physics Today, vol. 59, no. 4, pages 43-49 (April 2006).[1]
• U. Frisch: Turbulence: The Legacy of A. N. Kolmogorov. Cambridge University Press, 1995.[2]
• P. A. Davidson: Turbulence - An Introduction for Scientists and Engineers. Oxford University Press, 2004.
• P. A. Durbin and B. A. Pettersson Reif: Statistical Theory and Modeling for Turbulent Flows. Johns Wiley & Sons, 2001.
• T. Bohr, M.H. Jensen, G. Paladin and A.Vulpiani: Dynamical Systems Approach to Turbulence, Cambridge University Press, 1998.[3]
• Kolmogorov, Andrey Nikolaevich: 1941 The local structure of turbulence in incompressible viscous fluid for very large Reynolds numbers, Proceedings of the USSR Academy of Sciences, volume 30, sivut 299–303
• Kolmogorov, AN: 1941 Dissipation of energy in locally isotropic turbulence, Proceedings of the USSR Academy of Sciences, volume 32, sivut16–18
• G. K. Batchelor: The theory of homogeneous turbulence. Cambridge University Press, 1953.
• Center for Turbulence Research (Arkistoitu – Internet Archive), Stanford University
• Scientific American article (Arkistoitu – Internet Archive)
• Air Turbulence Forecast
• international CFD database iCFDdatabase (Arkistoitu – Internet Archive)
• Scholarpedia: Turbulence (englanniksi)