türbülans

Türbülans bir akış durumuna gelir sıvı bir girdap karakter herhangi bir noktasında Hızlı mevcut olup, burada, sıvı ya da gaz, girdapları , boyutu, konumu ve yönelimi sürekli değişir. Bu nedenle türbülanslı akışlar, çok düzensiz bir görünüm, tahmin edilmesi zor davranış ve birçok mekansal ve zamansal ölçeğin varlığı ile karakterize edilir. Bu tür akışlar , akışkanı harekete geçiren kinetik enerji kaynağı , akışkanın hareket etmek için karşı çıktığı viskoz kuvvetlere kıyasla nispeten yoğun olduğunda ortaya çıkar . Tersine, düzenli bir akışın karakterine laminer denir .

Türbülansın keşfi ve incelenmesi çok eskidir, örneğin , kendisinden sonra, İrlandalı mühendis Osborne Reynolds'un 1883'te çalışmalarını genişletmesinden önce neredeyse 400 yıl boyunca ilerlemeyen Leonardo da Vinci tarafından tanımlanmıştır .

Tanım

Türbülanslı akışların karmaşık davranışına çoğu zaman istatistiksel olarak yaklaşılır. Dolayısıyla türbülans çalışmasının istatistiksel fiziğin bir parçası olduğunu düşünebiliriz . Bir akışta atalet kuvvetlerinin viskozite kuvvetlerinden daha ağır bastığı gerçeğini yansıtmak için, uygun şekilde seçilen bir Reynolds sayısı belirli bir eşikten büyük olmalıdır. Bu eşik uygulamaya bağlı olarak değişir.

Klasik olarak türbülanslı bir akışın öne sürülen bir özelliği, türbülanslı kaskad (veya Richardson şelalesi ) adı verilen bir süreçte bulunur : büyük girdapların daha küçük girdaplara bölünmesi, enerjinin büyük ölçeklerden Kolmogorov boyutu tarafından verilen küçük ölçeklere transferine izin verir . Bu transferin sonunda, daha küçük girdaplar, daha büyük girdaplardan aldıkları enerjiyi dağıtır (örneğin, hava çöküntüleri ve tropikal siklonlar gibi). Bu küçük girdaplar için, aslında moleküler dağılma , düşünülen akışkanın viskozitesinden dolayı aşırı hız değişimlerini yavaşlatır. Bu türbülanslı çağlayan, örneğin tropik siklonların ve hava çöküntülerinin kademeli olarak zayıflamasını ve ölümünü ve ayrıca kinetik enerjilerinin ısıya dönüşmesini açıklar. Ama aynı zamanda, daha küçük bir ölçekte, bir arabanın ya da bir uçağın uyanışının dağılmasını da açıklıyor.

Aşağıdaki görüntüdeki sokak girdabı, önceki görüntüdeki siklonun son metamorfozu (veya bu konuda bir kamyonun geçişinin son yerel etkisi) olarak görülebilir.

Bu Richardson şelalesinin kalıcı olarak dağılması olmadan, depresyonlar, hortumlar ve toz girdapları gibi hava olaylarının süresiz olarak devam edeceğini ve insan yaşamının tamamen farklı olacağını belirtmek önemlidir. Gezegensel makinenin (okyanus ve atmosferik) enerji kaynağı olan güneş enerjisinin hiç durmadan katkısı, okyanus ve atmosferik akımların sürekli olarak güçlenmesine yol açabilirdi. Pratikte, bu enerji dağıtma süreci (türbülanslı kaskad) mutlaka tek yönlü değildir, ancak küçük girdap yapılarının (birleşen) bir veya daha büyük olana doğru nokta transferine izin veren girdap eşleşmesi (İngilizce geri saçılım ) olgusu yapılar.

Türbülans fiziği, ölçüm cihazlarının ( su ortamlarında türbülans çalışması için serbest düşen optik profil oluşturucular veya Doppler-Fizeau etki probları gibi) genelleştirilmesi ve maliyetlerinin kademeli olarak düşürülmesi sayesinde patlama yaşıyor . 1970'lerden bu yana, türbülansın sayısal modellemesi, araştırmacıların, özellikle Simulation des Grandes Structures (SGS) de la Turbulence veya İngilizce'de Büyük Girdap Simülasyonu (LES) olarak adlandırılan yaklaşımı kullanarak, fenomeni küçük ölçekte incelemesine izin verdi .

miktar belirleme

Sıkıştırılamaz bir akış durumunda, türbülans istatistiksel araç " standart sapma " kullanılarak ölçülebilir .

Bir noktada bir dizi n hız ölçümü göz önüne alındığında, standart sapma aşağıdaki formülle tanımlanabilir:

  şu anda hız olmak

ve    hızın ortalama değeri

% olarak ifade edilen türbülans, genellikle Tu olarak belirtilir, daha sonra şuna karşılık gelir:

Etkileri

taşımalarda

Türbülans , yüksek Reynolds sayıları (günlük nesnelerin hareketlerini yönetenler: araçlar, uçaklar ve spor mermileri) için hareketli nesnelerin sürtünme direncini artırır . Ancak, bir cismin etrafındaki mevcut sınır tabakasının laminer rejimden türbülanslı rejime geçişine neden olmak, bu sınır tabakasının ayrılmasını geciktirebilir ve böylece cismin basınç direncini azaltabilir (hafif bir sürtünme direnci artışıyla, bilanço ancak büyük ölçüde olumlu). Örneğin, bazı yüzücü kıyafetleri türbülans oluşturmak için pullarla donatılmıştır; Golf toplarının yüzeyinde bulunan oyuklar, uçakların yüzeyindeki türbülatörler , aksi takdirde girdap üreteçleri olarak adlandırılan türbülatörlerle aynı rolü oynar ( küre sürükleme krizine bakın ) . Nesnenin (uçak, mermi vb.) etrafından geçen sıvı akışını değiştirmeyi amaçlayan bu cihazlar , akış kontrolü kategorisine girer .

Meteoroloji ve oşinografide

Atmosferde ve okyanuslarda birkaç türbülans olayı vardır. Bazıları bu sıvıların alt katmanlarının ısıtılması sırasında konveksiyona bağlanır . Bunlar, üst katmanlardan daha az yoğun hale gelir ve sıvının hız dağılımını hem dikey hem de yatay olarak değiştirecek şekilde yükselir.

Diğerleri, kararlı katmanların kaymasıyla ilgilidir, ancak birbiri üzerine binen farklı yoğunluklara sahiptir. Buna kesme denir . Dalgalar Kelvin Helmholtz Bu şekilde üretilen ve bir dalgaya benzer dönme tanıtmak katmanların birleşim yerinin yüksekliği sonları olduğu. Atmosferik veya okyanus sıvısı bir engeli aşmak zorunda kaldığında meydana gelen mekanik türbülans da vardır. Bu , rotor şeklinde türbülans oluşturabilen bir yerçekimi dalgasıyla sonuçlanır . Bu, dağ dalgası adı verilen karmaşık bir hava olayıdır . Rotorlar daha sonra alt dalga katmanında oluşturulur.

Bu nedenle türbülans, deniz akıntılarındaki ve atmosferik rüzgarlardaki yerel değişiklikleri açıklar .

Çevrede

Önemli bir ekolojik role sahiptirler.

Kalnay ve Cai, 2003 yılında Nature dergisinde ağaçların rüzgarı önemli ölçüde yavaşlattığını öne sürdüler. Gerçekten de, yoğun tropik ormanlarda, fırtınalar dışında, rüzgarın etkileri yerden neredeyse algılanamaz. Ağaçların çoğu, güçlü payandalarını orada yalnızca gölgelik seviyesinde ortaya çıktıklarında üretirler ve daha sonra rüzgar tarafından olası sökülmeye maruz kalırlar.

Yakın zamanda , kuzey yarımkürede yavaşlama eğilimini doğrulayan yüzey rüzgarlarını (10 metre yüksekliğe kadar) ölçen meteorolojik verileri yeniden analiz ettik ; öyle görünüyor ki ormanlar bir dereceye kadar rüzgarı frenleyebilirken, çölleşme onu şiddetlendiriyor. Ormanın yeniden zemin kazandığı yerde, rüzgarın gücü azaldı (%5'ten %15'e) ve bu, rüzgar kuvvetli olduğu için daha da görünür hale geliyor. Jeostrofik rüzgarlar (atmosferik basınçta değişimler sonucu) azalmadı ve aéroradiosondes yükseklik hiçbir yavaşlama eğilimi göstermektedir.

astronomide

Atmosferik türbülans, Dünya'dan yapılan astronomik gözlemlerin önündeki en büyük engeldir. Işığı dalgalı ve rastgele bir şekilde dağıtma etkisine sahiptir. Uyarlanabilir optik cihazlar , bu parazitik bozulmaları kısmen telafi etmeyi mümkün kılar .

Atmosferik türbülans her milisaniyede bir değişir.

Diğer alanlar

Aynı zamanda havacılıkta (jet motorları , yanma odaları , bıçakların ve kompresörlerin izleri , vb.), kimya endüstrisinde (türbülanslı karıştırma işleminin kayda değer verimliliği) ve ayrıca akustik , jeofizik vb.

Notlar ve referanslar

Notlar

  1. Büyük havalimanlarındaki kalkışların oranı, uyanma zayıflamasının süresine göre belirlenir.

Referanslar

  1. Joséphin Peladan , "  Leonardo da Vinci'nin el yazmaları  " , Gallica üzerine
  2. (in) "  Optik Profiler Serbest düşen  " üzerine DENİZ-KUŞ Bilimsel
  3. Robert Vautard (CEA / CNRS / UVSQ), Julien Cattiaux Pascal yiou, Jean-Noel Thépaut Philippe Ciais, Kuzey Yarımküre atmosferik durgunluk Kısmen Atfedilen Yıl Yüzey pürüzlülüğünde artış ,; Nature Geoscience , çevrimiçi: 17 Ekim 210 ( İngilizce özet, grafikler )
  4. Gruber, C. ve Haimberger, L. Radiosonde rüzgar zaman serilerinin homojenliği üzerine. Meteorologische Zeitschrift, 17, 631-643 (2008).

Şuna da bakın:

İlgili Makaleler

Dış bağlantı