Turbulenz

Die Turbulenz bezeichnet den Zustand der Strömung eines Fluids , einer Flüssigkeit oder eines Gases, bei dem die Geschwindigkeit an jeder Stelle in einem Wirbelcharakter vorhanden ist, dessen Größe, Lage und Ausrichtung ständig variieren. Turbulente Strömungen zeichnen sich daher durch ein sehr ungeordnetes Erscheinungsbild, ein schwer vorhersehbares Verhalten und die Existenz vieler räumlicher und zeitlicher Skalen aus. Solche Strömungen treten auf, wenn die kinetische Energiequelle, die das Fluid in Bewegung setzt, im Vergleich zu den viskosen Kräften , denen das Fluid bei der Bewegung entgegenwirkt, relativ intensiv ist . Umgekehrt wird der Charakter einer regelmäßigen Strömung als laminar bezeichnet .

Die Entdeckung und Erforschung der Turbulenz ist sehr alt, sie wurde beispielsweise von Leonardo da Vinci beschrieben, der nach ihm fast 400 Jahre lang keine Fortschritte machte, bevor der irische Ingenieur Osborne Reynolds 1883 seine Arbeit erweiterte.

Beschreibung

Das komplexe Verhalten turbulenter Strömungen wird meist statistisch untersucht. Wir können also davon ausgehen, dass das Studium der Turbulenz Teil der statistischen Physik ist . Um der Tatsache Rechnung zu tragen, dass in einer Strömung die Trägheitskräfte die Viskositätskräfte überwiegen, muss eine geeignet gewählte Reynolds-Zahl größer als ein bestimmter Schwellenwert sein. Dieser Schwellenwert variiert je nach Anwendung.

Eine klassischerweise von einer turbulenten Strömung vorgeschlagene Eigenschaft beruht auf einem Prozess, der als turbulente Kaskade (oder Richardson- Wasserfall ) bezeichnet wird: Die Aufteilung großer Wirbel in kleinere Wirbel ermöglicht einen Energietransfer von den großen Skalen auf die kleinen Skalen, die durch die Kolmogorov-Dimension gegeben sind . Am Ende dieses Transfers geben die kleineren Wirbel die Energie ab, die sie von den größeren Wirbeln erhalten haben (wie zum Beispiel Wetterdepressionen und tropische Wirbelstürme ). Bei diesen kleinen Wirbeln verlangsamt die molekulare Dissipation tatsächlich übermäßige Geschwindigkeitsschwankungen aufgrund der Viskosität des betrachteten Fluids. Diese turbulente Kaskade erklärt beispielsweise das allmähliche Abschwächen und Absterben tropischer Wirbelstürme und Wetterdepressionen sowie die Umwandlung ihrer kinetischen Energie in Wärme. Aber es erklärt in kleinerem Maßstab auch die Ableitung des Sogs eines Autos oder eines Flugzeugs.

Der Straßenwirbel im Bild unten kann somit als letzte Metamorphose des Zyklons im vorherigen Bild (oder auch als letzter lokaler Effekt der Durchfahrt eines Lastwagens) angesehen werden.

Es ist wichtig darauf hinzuweisen, dass ohne die permanente Auflösung dieses Richardson-Wasserfalls Wetterphänomene wie Depressionen, Tornados und Staubwirbel auf unbestimmte Zeit andauern würden und das menschliche Leben völlig anders wäre. Der Beitrag der Sonnenenergie, die die Energiequelle der planetarischen Maschine (ozeanisch und atmosphärisch) ist, wird nie aufhören, wir könnten nur zu einer kontinuierlichen Verstärkung der ozeanischen und atmosphärischen Strömungen führen. In der Praxis ist dieser Prozess der Energiedissipation (die turbulente Kaskade) nicht unbedingt einseitig, jedoch ermöglicht das Phänomen der Wirbelpaarung (auf Englisch Rückstreuung ) die punktuelle Übertragung kleiner Wirbelstrukturen (die sich verschmelzen) auf eine oder mehrere größere Strukturen.

Die Physik der Turbulenz boomt dank der Verallgemeinerung von Messinstrumenten (wie z. B. frei fallenden optischen Profilern oder Doppler-Fizeau-Effekt- Sonden zur Untersuchung von Turbulenzen in aquatischen Umgebungen) und der fortschreitenden Reduzierung ihrer Kosten. Seit den 1970er Jahren ermöglicht die numerische Modellierung der Turbulenz Forschern, das Phänomen im kleinen Maßstab zu untersuchen, insbesondere mit dem Ansatz namens Simulation des Grandes Structures (SGS) de la Turbulence, oder Large Eddy Simulation (LES) auf Englisch. .

Quantifizierung

Bei einer inkompressiblen Strömung kann die Turbulenz mit dem statistischen Werkzeug „ Standardabweichung “ quantifiziert werden .

Betrachtet man eine Reihe von n Geschwindigkeitsmessungen an einem Punkt, kann die Standardabweichung durch die folgende Formel definiert werden:

  die Geschwindigkeit im Moment sein

und    der Durchschnittswert der Geschwindigkeit

Turbulenz ausgedrückt in %, oft als Tu bezeichnet, entspricht dann:

Auswirkungen

Bei den Transporten

Turbulence erhöht die Reibung drag bewegte Objekte für hohe Reynolds Zahlen (diejenigen, die die Bewegungen von Alltagsobjekten regieren: Fahrzeuge, Flugzeuge und Sport Projektile). Allerdings verursacht den Übergang von der vorhandenen Grenzschicht um einen Körper aus dem laminaren Regime des turbulenten Regime kann die Ablösung dieser Grenzschicht verzögern und dadurch den Abnahme Druck drag des Körpers (mit einem leichten Anstieg Reibungswiderstand verbleibende Bilanz jedoch weitgehend positiv). Einige Schwimmanzüge sind beispielsweise mit Schuppen versehen, um Turbulenzen zu erzeugen; Die auf der Oberfläche von Golfbällen vorhandenen Konkavitäten spielen die gleiche Rolle (siehe die Kugelwiderstandskrise ), wie auch die Turbulatoren auf der Oberfläche von Flugzeugen, auch Wirbelgeneratoren genannt . Diese Vorrichtungen, die darauf abzielen, den um das Objekt (Flugzeug, Projektil usw.) strömenden Flüssigkeitsstrom zu modifizieren, fallen in die Kategorie der Strömungssteuerung .

In Meteorologie und Ozeanographie

Es gibt mehrere turbulente Phänomene in der Atmosphäre und den Ozeanen. Einige sind während der Erwärmung der unteren Schichten dieser Flüssigkeiten mit Konvektion verbunden . Diese werden weniger dicht als die oberen Schichten und steigen auf, was die Geschwindigkeitsverteilung des Fluids sowohl vertikal als auch horizontal ändert.

Andere beziehen sich auf das Gleiten stabiler Schichten, die jedoch unterschiedliche Dichten übereinander aufweisen. Dies wird Scheren genannt . Die Kelvin-Helmholtz-Wellen werden auf diese Weise erzeugt und führen eine Rotation ein, die einer Welle ähnelt, die an der Höhe des Übergangs der Schichten bricht. Es gibt auch mechanische Turbulenzen, die auftreten, wenn atmosphärische oder ozeanische Flüssigkeiten gezwungen werden, ein Hindernis zu überwinden. Dadurch entsteht eine Schwerewelle, die Turbulenzen in Form von Rotoren erzeugen kann . Dies ist ein komplexes Wetterphänomen, das als Bergwelle bezeichnet wird . Die Rotoren werden dann in der Unterwellenschicht gebildet.

Turbulenzen erklären daher die lokalen Schwankungen der Meeresströmungen und atmosphärischen Winde .

In der Umwelt

Sie haben eine wichtige ökologische Rolle.

Kalnay und Cai stellten 2003 in der Zeitschrift Nature die Hypothese auf, dass Bäume den Wind erheblich verlangsamen. Tatsächlich sind die Auswirkungen des Windes in dichten tropischen Wäldern, außer bei Stürmen, vom Boden aus fast nicht wahrnehmbar. Die meisten Bäume produzieren dort ihre mächtigen Strebepfeiler erst, wenn sie auf Höhe des Kronendaches auftauchen, wo sie dann einer möglichen Entwurzelung durch den Wind ausgesetzt sind.

Wir haben kürzlich meteorologische Daten zur Messung von Oberflächenwinden (bis zu 10 Meter Höhe) erneut analysiert, was einen sich verlangsamenden Trend auf der Nordhalbkugel bestätigt ; Es scheint, dass Wälder den Wind bis zu einem gewissen Grad eindämmen können, während die Wüstenbildung ihn verschlimmert. Wo der Wald wieder Boden gewonnen hat, hat die Windstärke abgenommen (von 5 auf 15%), was umso sichtbarer ist, je stärker der Wind ist. Die geostrophischen Winde (induziert durch Änderungen des atmosphärischen Drucks) haben nicht nachgelassen, und Aeroradiosonden zeigen keinen nachlassenden Höhentrend .

In der Astronomie

Atmosphärische Turbulenzen sind das größte Hindernis für astronomische Beobachtungen von der Erde aus. Es hat die Wirkung, Licht auf eine fluktuierende und zufällige Weise zu streuen. Adaptive Optik - Geräte machen es möglich , dass diese teilweise zu kompensieren parasitären Verzerrungen .

Atmosphärische Turbulenzen ändern sich jede Millisekunde.

Andere Gebiete

Es wird auch untersucht in der Luftfahrt (Jet Motoren , Verbrennungskammern , wacht die Schaufeln und Kompressoren , etc.), in der chemischen Industrie (beträchtliche Effizienz des turbulenten Mischverfahrens), als auch in der Akustik , die Geophysik , usw..

Hinweise und Referenzen

Anmerkungen

  1. Die Startrate an Großflughäfen wird durch die Dauer der Nachlaufdämpfung bestimmt.

Verweise

  1. Joséphin Peladan , "  Die Manuskripte von Leonardo da Vinci  " , auf Gallica
  2. (in) "  Frei fallender optischer Profiler  " auf SEA-BIRD Scientific
  3. Robert Vautard (CEA / CNRS / UVSQ), Julien Cattiaux Pascal yiou, Jean-Noel Thépaut Philippe Ciais, atmosphärische Stilling der nördlichen Hemisphäre, die teilweise dem Jahr zugeschrieben wird Zunahme der Oberflächenrauheit ,; Nature Geoscience , online: 17.10.210 ( englische Zusammenfassung, Grafiken )
  4. Gruber, C. und Haimberger, L. Zur Homogenität von Radiosondenwindzeitreihen. Meteorologische Zeitschrift, 17, 631-643 (2008).

Siehe auch

Verwandte Artikel

Externer Link