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Turbulente stroming
Die Rauchfahne dieser Kerze geht von laminar bis turbulent. Es Reynolds Nummer zeigt an, wann dieser Übergang auftritt

Turbulente Strömung ist eine Strömung, die sich nicht in Schichten, sondern in Wirbeln bewegt. Es gibt viel Strömung senkrecht zur Hauptströmung. Das Gegenteil von turbulenter Strömung ist laminare Strömung.

Turbulente Strömung tritt bei höheren Strömungsgeschwindigkeiten auf. Wenn die Geschwindigkeit abnimmt, kann sich die Strömungsart auf laminar ändern. Der Moment, in dem turbulente Strömung in laminare übergeht und umgekehrt, ist gekennzeichnet durch die Reynolds Nummer. Die Reynolds-Zahl hängt nicht nur von der Geschwindigkeit ab, sondern auch von der Viskosität. In viskosen Medien wie Öl ist die Strömung daher bei deutlich höheren Geschwindigkeiten noch laminar als beispielsweise in Wasser. Turbulente Strömung hat eine Reynolds-Zahl von mehr als ungefähr 3500. Dies ist übrigens keine harte Grenze. Durch sehr vorsichtiges Erhöhen der Geschwindigkeit in einer sehr glatten Geometrie ist es manchmal möglich, auch bei höheren Reynolds-Zahlen eine laminare Strömung zu erzielen. Umgekehrt bei noch höheren Geschwindigkeiten oder ungünstigen Formen Veröffentlichung des Grenzschicht auftreten, was oft zu einem weiteren Anstieg der Luftwiderstand oder Strömungswiderstand ergibt.

Im Allgemeinen ist der Strömungswiderstand bei turbulenter Strömung größer als bei laminarer Strömung. Durch das Vorhandensein von Wirbeln ist die Vermischung in einer turbulenten Strömung viel stärker als in einer laminaren Strömung.

Beispiele

Laminare und turbulente Strömung über dem Deck eines U-Bootes
laminar (oben) und turbulente Strömung (Mitte mit Schaum), die Victoriafälle in dem Sambesia, 1975

Im Wasser tritt Laminarströmung nur bei sehr geringen Strömungsgeschwindigkeiten oder bei sehr dünnen Wasserschichten auf. In der Praxis beispielsweise bei Grundwasserströmung oder beim Abfließen einer dünnen Wasserschicht, beispielsweise über dem Deck dieses U-Bootes. Das Vorhandensein von Wildwasser wird oft als Turbulenzkriterium angesehen, dies ist jedoch falsch. Eine sehr gleichmäßige Strömung von zB 0,3 m/s in einem glatten Gerinne sieht sehr gleichmäßig aus, ist aber dennoch turbulent. Dies zeigt sich zum Beispiel, wenn man ihm eine Färbeflüssigkeit injiziert, die die Wirbel im Wasser deutlich zeigt.[Video 1]Turbulenzen werden oft bei alltäglichen Phänomenen wie Brandung beobachtet – nicht brechende Wellen sind in der Regel nicht turbulent – ​​strömende Flüsse, aufziehende Gewitterwolken oder Rauch aus einem Schornstein. Die meisten Flüssigkeitsströmungen, die in der Natur vorkommen oder in technischen Anwendungen entstehen, sind turbulent.[1]Turbulenzen entstehen durch zu hohe kinetische Energie in Teilen einer Flüssigkeitsströmung, die die dämpfende Wirkung der Viskosität der Flüssigkeit aufhebt. Aus diesem Grund treten Turbulenzen hauptsächlich in Flüssigkeiten mit niedriger Viskosität auf. In turbulenten Strömungen treten instabile Wirbel vieler Größen auf und interagieren miteinander, was zu einer Erhöhung der Reibung führt. Dadurch wird beispielsweise mehr Energie benötigt, um eine Flüssigkeit durch ein Rohr zu pumpen.

Auch die Luftströmungen in der Atmosphäre sind ein Beispiel für Turbulenzen. Auch hier sind die unterschiedlichen Längenskalen deutlich zu erkennen. Senken sind turbulente Wirbel mit einem Durchmesser von Hunderten von Kilometern, während ein lokaler Wirbelwind nur wenige Meter misst.

Eigenschaften

Eine genaue Definition von Turbulenz ist schwierig. Aber Turbulenzen werden durch ihre Eigenschaften gut definiert. Im Tennnekes & Lumley[1] für turbulente Strömung werden folgende Kennlinien angegeben:

Unregelmäßigkeit oder Zufall (Zufälligkeit)
Dies ist charakteristisch für turbulente Strömungen. Daher ist anstelle eines deterministischen Ansatzes nur ein Ansatz mit statistischen Methoden möglich.
Diffusionsfähigkeit
Bei turbulenter Strömung findet immer ein großer Impuls-, Wärme- und Materietransport statt. (Dies ist mit einer schnellen Expansion turbulenter Strömungen, zum Beispiel Grenzschichten, verbunden.) Dieser Aspekt ist wichtig im Zusammenhang mit beispielsweise:
  • Verbringung von Abfällen auf See;
  • großer Widerstand in Rohren;
  • großer Wärmeübergang im Kühlwasser
ein großer Reynolds Nummer
Bei großen Reynolds-Zahlen (Re) neigen laminare Strömungen dazu, instabil zu werden. In diesem Fall treten Turbulenzen auf. Die Instabilitäten haben mit der Beziehung zwischen den nichtlinearen Inertialtermen und den viskosen Termen in der Impulsbilanzgleichung (Bewegungsgleichung) zu tun.
Schwankungen der Wirbelstärke (Vorticity)
Turbulenz ist 3-dimensional und zeichnet sich durch eine hohe schwankende Wirbelstärke aus. Turbulenzen, die aus zweidimensionalen Wirbelstärkeschwankungen bestehen, konnten sich nicht selbst erhalten. Zyklone in der Atmosphäre sind grundsätzlich zweidimensional, also selbst keine Form von Turbulenzen; unregelmäßige Wellen auf der Meeresoberfläche sind sehr wirbelfrei, also keine turbulenten Bewegungen.
Ableitung
Wie bei den Transporten ist auch die Energiedissipation bei turbulenter Strömung viel größer als bei laminarer Strömung. Turbulente Bewegungen sind stark dissipativ. Durch die Viskosität an den kleinen Wirbeln geht viel Energie aus der turbulenten Bewegung verloren. Um die Turbulenz aufrechtzuerhalten, ist eine große Auffüllung turbulenter Energie durch Entziehen von Energie aus der durchschnittlichen Strömung erforderlich.
Kontinuum
Die kleinsten Skalen, die in Turbulenzen auftreten, sind normalerweise viel größer als jede molekulare Längenskala. Eine Kontinuumsbeschreibung ist daher ebenso ausreichend wie bei einem laminar bewegten Fluid.
turbulente Strömungen sind Strömungen
Turbulenz ist eine Eigenschaft von Strömungen, nicht der verschiedenen Flüssigkeiten. Jede Flüssigkeit kann je nach den Umständen laminar oder turbulent fließen.

Zeit- und Längenskala

Visualisierung eines turbulenten Jets[2]

Turbulenz wird durch eine Makroskala und eine Mikroskala charakterisiert. Die Makroskala besteht aus den größten Wirbeln, die in der Strömung vorkommen, und die Mikroskala (oder Kolmogorov Rahmen) [Ausland 1] vom kleinsten Wirbel. Die größten Wirbel zerfallen in kleinere Wirbel, die dann in noch kleinere Wirbel zerfallen. Dies setzt sich bis zu den kleinsten Wirbeln fort. Dieser Vorgang wird als Kaskadenprozess bezeichnet, bei dem die kinetische Energie von den großen Wirbeln auf die kleinen Wirbel übertragen wird. In den kleinsten Wirbeln wird die kinetische Energie direkt in Wärme umgewandelt.

Die Tatsache, dass es Längen- und Zeitskalen gibt, zeigt, dass es sich nicht um einen völlig zufälligen Prozess handelt (wie WeißLärm). Das Signal von Rauschen ist völlig unvorhersehbar, während die Bewegung in Turbulenzen kurzfristig oder über die Entfernung vorhersehbar ist. Vergleichen Sie dies mit der Wettervorhersage. Innerhalb weniger Tage ist der Standort von a Depression vorhersehbar, aber nicht auf Dauer. Für kleinere Wirbel, wie zum Beispiel Schauer, ist die Vorhersagezeit viel kürzer.

Die Abbildung oben rechts zeigt ein qualitatives Bild eines turbulenten Jets. Jetzt sofort Partikelbild-Velocimetrie (PIV)-Technik[Ausland 2] Wirbel können auch quantitativ sichtbar gemacht werden. Die Abbildung unten (links) zeigt die Wirbel in einer turbulenten Grenzschicht in Wasser mit rauem Boden.

Relativgeschwindigkeit in einem Wirbel in Bodennähe[3]

Das Bild ist ein Längsschnitt einer Gerinne. Die Strömung erfolgt von links nach rechts, die Wirbel bewegen sich also auch von links nach rechts. Angezeigt wird die Relativgeschwindigkeit, d. h. die Ist-Geschwindigkeit minus der zeitlich gemittelten Geschwindigkeit (also Sie ' und v “, siehe Definition unten).

Quantifizierung

Turbulenz besteht, wie oben beschrieben, aus einem Teil mit a zufällig Charakter und ein Wirbelcharakter.

Der zufällige Teil

turbulente Strömung als Funktion der Zeit

Der zufällige Teil kann als eine Art Rauschen betrachtet werden. Wenn die Geschwindigkeit an einem bestimmten Punkt in der Strömung gemessen wird, ist der Durchschnitt (bei einer gleichmäßigen Strömung) konstant, mit einer Abweichung um ihn herum. Die Geschwindigkeit hat eine Drei-Wege-Komponente (Sie, v und w). Siehe die Abbildung für die Sie-Geschwindigkeit. Die tatsächliche Geschwindigkeit ist also die Durchschnittsgeschwindigkeit Sie plus eine variierende Komponente Sie' . Das ergibt also:

Dies ermöglicht die gesamte kinetische turbulente Energie (k) bestimmt werden, sowie die relative Turbulenz (r):

Hinweis: Die Reihenfolge der Berechnung von Quadrat und Mittelwert ist sehr relevant: .[4]Die Durchschnittsgeschwindigkeit ist im Vergleich zu den Schwankungen oft groß. Wenn nicht (z. B. viel Turbulenz und eine vernachlässigbar kleine Geschwindigkeit), beträgt die relative Turbulenzintensität r keine Bedeutung.

Der Wirbelteil

Der Wirbelcharakter kann mit a . beschrieben werden Autokorrelation. Wenn ein Signal wirklich zufällig ist, ist jeder Wert völlig zufällig und unabhängig vom vorherigen Wert. Inzwischen ist der Wert von Sie' für einen bestimmten Moment mit dem Wert von zu vergleichen Sie' eine Zeitt dies kann später überprüft werden. Der Wert wird für viele Werte von Sie' undt bestimmt, Durchschnitt für Sie' und aufgetragen als Funktion von Δt. Siehe die Abbildung unten rechts.

Integrale Zeitskala

Wenn das Signal zufällig ist (dh echtes Rauschen), dann ist dieser Graph überall null. In Turbulenz ist dieser Wert maximal für ΔΔΔΔt = 0 und nimmt dann langsam ab (und wird für eine Weile sogar negativ). Ein repräsentativer Wert für Δt kann nun bestimmt werden, indem man die Fläche unter dem Graphen berechnet und diese durch den Wert bei Δ . teiltt = 0. In Formelform heißt das:

Der Wert t heißt Integralzeitskala. Hier die Überstreichung () eine Mittelwertbildung über die Zeit. Auf ähnliche Weise kann die ganzzahlige Längenskala bestimmt werden:

Hier ist die Überschrift () eine Mittelwertbildung über den Ort.

Mehr Informationen

Eine etwas alte, aber sehr anschauliche Erklärung von Turbulenzen gibt ein Video der US-amerikanischen National Science Foundation. [Video 2]

Siehe die Kategorie Turbulenz von Wikimedia Commons für Mediendateien zu diesem Thema.