Турбулентное течение круче ламинарного

— Это отличная приманка для учёных.

Я серьезно, и командир МКС Крис Хэтфилд тому подтверждение. 

Как ни странно, воронка не турбулентна. Нет, в основном это ламинарное течение. 

— Кто сказал “ламинарное течение”? 

— Если, вдруг, не знаете Дэстин из “Смартер эвридэй”, обожает ламинарные потоки, — это когда все частицы движутся параллельными, организованными слоями, по латински — ламинэ.

— Ты смотри, почти пузырь!

Мои соседи, когда видят меня, кричат из окон машин, что им больше нравится турбулентный поток. Вот такие люди.. живут в Хантсвилле. 

— Вот что я тебе скажу… Ламинарный поток любить гораздо проще..

— Так…

— ..но если присмотреться, то ты увидишь,.. что турбулентное течение круче. 

— Эм.. нет. Турбулентный поток не круче ламинарного — он классный,.. но ламинарный всё равно лучше. 

— Я всё понимаю, — предпочтение Дэстина легко объяснить — ламинарный поток очень симпатичный и аккуратный, а турбулентный поток.. — это вообще непонятно что. Серьезно. Для него по сей день даже не существует общепринятого определения. 

— Ну его же сразу видно.

— И это всё? 

— По большому счету, да .

— Раз нет точного определения,.. в этом видео мы составим список характеристик турбулентного потока, чтобы вы смогли его узнать. Первая важная черта, которую мы рассмотрим — непредсказуемость. Турбулентное движение невозможно предугадать,  оно по самой своей сути и определению хаотично… — иначе говоря, чувствительно зависит от начальных условий, и малейшей изменение в жидкости или среде приведёт к кардинально иному конечному состоянию.

Это значит, турбулентное течение нельзя спрогнозировать. Можно оперировать лишь статистикой. Уравнения Навье-Стокса, по идее, описывают движение любых жидкостей, в том числе и турбулентных, но их очень сложно решить. Кстати, институт Клэя предлагает миллион долларов тому, кто докажет существование и гладкость решения этих уравнений при любых граничных условиях.

хотя бы за частичное решение этих уравнений для турбулентных потоков. Так что да, турбулентность это черти-что. Ламинарный поток — всем по вкусу: красивый и аккуратный.

А турбулентный — своего рода гадкий утёнок. Но в этом видео я хочу показать, как он превратится в прекрасного лебедя. Узнав турбулентность поближе,.. вы проникнетесь к ней глубоким чувством настоящей любви. А с ламинарностью у вас так, быстротечная интрижка.

То, что вы сейчас видите — это движение воздуха в комнате, которое по большей части турбулентно. Диана Коверн с канала физикс гёрл и её друзья сняли все с помощью дым-машины и лазеров. Одна из главных характеристик турбулентного течения это то, что в нём возникает множество непостоянных возмущений, которые называются вихрями или завихрениями.

Они очень сильно варьируются в размерах. Если речь идет об обычной комнате — от микрометров до нескольких метров в диаметре! Сложно придумать другое явление, которое одновременно проявляет себя на столь разных масштабах. Но это далеко не предел. Поверхность Солнца тоже турбулентна — горячая плазма из-за конвекционных потоков поднимается наружу. Каждое такое зерно — площадью примерно со штат Техас. Но на Юпитере турбулентные вихри ещё крупнее. Большое красное пятно по размерам превосходит Землю. Остальная часть планеты покрыта ураганами поменьше, некоторые из которых слишком малы, чтобы разглядеть со спутника. Даже межзвёздная пыль движется турбулентно. 

Далекие источники радиоволн из-за этого мерцают, как звезды — из-за турбулентности атмосферы. Отличный пример турбулентного пылевого образования — туманность Ориона, двадцать четыре световых года в поперечнике. Поистине вселенские масштабы. С другой стороны — ламинарные потоки, которые сильно ограничены в размерах. 

В тысяча восемьсот восемьдесят третьем году Осборн Рэйнольдс проводил опыты, в которых с разной скоростью пускал воду по стеклянной трубке, а для наглядности в середине трубки добавлял струю краски. При низкой скорости потока струя краски вытягивалась в линию, двигаясь ламинарно. 

Но если течение воды ускорялось, движение краски становилось все более беспорядочным, и в какой-то момент.. она полностью растворялась в потоке. Пример турбулентного потока. Рэйнольдс открыл ещё одно его важнейшее свойство.. — диффузивность — в таком потоке всё перемешивается. В турбулентной среде растворяется не только краска, но и теплота и импульс — они также равномерно распределяются по всей жидкости. Он обнаружил, что переход к турбулентности зависит не только от скорости потока. В широких трубках она возникает быстрее, а при использовании вязких жидкостей, вроде меда — медленнее.

Он вывел безразмерную величину, позже названную в его честь — число Рэйнольдса это “скорость потока.. на характеристический размер (здесь — диаметр трубы),.. делить на кинематическую вязкость,.. или другими словами меру внутреннего трения””. Если число большое, значит, поток турбулентный. Это — дым, поднимающийся от горящей свечи. Сначала он движется ламинарно, но чем выше, тем быстрее поток, и когда число Рэйнольдса достигает критической точки, дым начинает вести себя турбулентно. Ламинарное движение возможно только при маленьком значении числа Рэйнольдса,.. то есть скорость должна быть низкой, размеры небольшими, а вязкость — высокой. 

Поэтому в повседневности турбулентность встречается чаще. Турбулентность — 

это правило, а ламинарность — исключение. Воздух, который мы вдыхаем и выдыхаем. Кровь, проходящая через аурту. Нижние слои атмосферы — тоже турбулентны. Как и воздух внутри и около кучевых и кучево-дождевых облаков. 

Благодаря моделированию мы знаем, что турбулентность играет важную роль в образовании дождевых капель. Турбулентность.. может вызывать дождь! 

Сейчас я создам турбулентность в реоскопической жидкости. В ней хорошо видно движение потоков. Это возможно благодаря взвеси из мельчайших частиц. Обратите внимание, со временем турбулентность постепенно затухает. Виной тому ещё одно её свойство — диссипация. Это когда кинетическая энергия больших вихрей переходит во всё более и более мелкие, пока наконец, на уровне еле заметных завихрений она не рассеется в жидкости в виде тепла. Чтобы поддерживать турбулентность, нужен постоянный источник энергии — чтобы постоянно создавать новые вихри. Нам привычно слышать о турбулентности, когда речь заходит, о чем-то, что движется сквозь жидкость или газ: о самолетах, машинах или кораблях. Давайте рассмотрим самую границу между объектом и средой. 

Представьте поток жидкости над плоской поверхностью. На достаточном удалении от дна она движется без препятствий это собственно, скорость потока. Но в самом низу, из-за трения и адгезии.. молекулы жидкости прилипают к твёрдой поверхности, и их скорость равна нулю. Чуть выше поток движется, но довольно медленно, из-за трения с прилипшим слоем. Чем выше, тем быстрее движется поток.. пока не достигает своей основной скорости. Эта область переменных скоростей называется “пограничным слоем”. В нашем случае — ламинарный пограничный слой. 

Он возникает, когда твёрдая поверхность прилагает к жидкости силу,.. а значит, жидкость прилагает к поверхности равную силу в противоположном направлении. Это называется “поверхностным трением”. 

При высокой скорости потока и достаточной длины контакта с поверхностью, пограничный слой будет расти и в итоге станет турбулентным. В турбулентном пограничном слое жидкость постоянно закручивается и смешивается, а самые быстрые потоки поднимаются вверх. Это увеличивает поверхностное трение,.. поэтому турбулентный пограничный слой даёт больше сопротивления чем ламинарный. Пограничные слои вокруг крупных самолётов и судов обычно турбулентны,.. а главным источником сопротивления выступает как раз поверхностное трение. Стоит учесть, что ламинарные потоки могут превращаться в турбулентные, из-за неровной и шероховатой поверхности. Это значит, что чистая гладкая поверхность сильно снижает сопротивление экономя топливо. Грязная машина скорее всего будет расходовать больше бензина, чем свежевымытая. “Разрушители легенд” подтвердят. По этой же причине самолёты так часто моют. 

В моём представлении идеальный самолет должен быть идеально гладким. Сразу вспоминается сцена из “Авиатора”, где Лео хочет срезать с корпуса все наклёпки. Как видите, на этом самолёте все болты и гайки утоплены в крыло, чтобы сделать его максимально гладким. Но здесь.. установлены.. вот такие гребни,.. но какой в этом смысл? Зачем на крыле такие неровности? Ответ — чтобы повысить турбулентность набегающего потока.

В горизонтальном полёте воздух обтекает форму крыла. Но на низких скоростях или при большом угле атаки воздушный поток начинает отделяться — ему как бы не хватает энергии, чтобы обогнуть крыло полностью. Это приводит к так называемому “сваливанию”,.. когда резко снижается подъёмная сила. Эти верёвочки наглядно показывают воздушный поток — самолёт снижает скорость, поток срывается и идёт в разнос. Так и выглядит сваливание.

Чтобы срыв потока и сваливание происходили позднее, на крыло добавляют завихрители. Функция завихрителей состоит в том, чтобы создавать турбулентность, спуская высокий и быстрый воздушный поток ближе к поверхности крыла.. — по сути, добавляя энергии в самые медленные слои. Таким образом поток становится быстрее, и срыв происходит позднее. Сохраняются нормальные условия обтекания крыла, а значит и подъемная сила, за счет которой самолет держиться в воздухе.

В случае с самолётами турбулентность необходима, и её генерируют специально, чтобы повысить качество обтекания и увеличить возможный угол атаки. 

Похожий принцип используют в мячиках для гольфа. 

— Шотландцы об этом узнали опытным путем — изначально они играли гладкими мячиками. Те летали не далеко до тех пор, пока не покрывались грязью и царапинами.

— Чтобы понять почему, посмотрим на мяч в аэротрубе. Поток воздуха образует вокруг него ламинарный пограничный слой. Это снижает поверхностное трение, что хорошо, но также позволяет воздуху легко срываться с поверхности, оставляя большой вихревой след с низким давлением позади мяча.

— И возникает другое сопротивление…

— Из-за разницы в давлении?

— Да, из-за разницы в давлении. У пограничного слоя есть сопротивление трения, но а из-за срыва возникает еще разница в давлении. И если сделать слой турбулентным — с помощью неровностей или грязи, — или ямок на мяче — он будет дольше оставаться на мяче и таким образом вихревой след будет короче, разница в давлении — меньше.

— Нужно уменьшить разницу сильнее, чем увеличится сопротивление трения…

— Да. Именно.

— тогда мяч полетит дальше.

— Ага.

— Мячи стали делать неровными задолго до того, как смогли разобраться в аэродинамике процесса. С тех пор углубления успешно создавали турбулентность, доказывая свою эффективность.

— Ямки небольшие по сравнению с самим мячиком, но результат налицо. 

— А что это за эффект? 

— Есть такое понятие.. коэффициент сопротивления, и он сильно падает (почти в два раза), при турбулентном пограничном потоке.

— Турбулентный пограничный слой уменьшает вихревой след.. который интересен сам по себе. Учёные ищут способы черпать из него энергию. Я отправился в Калтех, чтобы понаблюдать за экспериментом, в котором вода обтекает цилиндр, оставляя за собой турбулентный след. Чтобы потоки было видно, мы добавили флуоресцентную краску. При определённых условиях вихри поочерёдно оказываются то с одной, то с другой стороны от цилиндра, создавая устойчивый паттерн. Это называют “периодическим срывом вихрей”, а получающийся рисунок — вихревой дорожкой фон Кармана. 

На самом деле мы видим его довольно часто,.. самый красивый пример — снимки из космоса. Только в этом случае препятствием, из-за которого происходят срывы вихрей, служит целый остров, а дорожка фон кармана образуется из облаков. Их, кстати, иногда можно увидеть даже с земли. 

Строго говоря, данный феномен нельзя назвать турбулентным — ведь он предсказуем. Но это один из этапов перехода к турбулентности. Как раз из этих вихревых структур учёные пытаются добыть энергию. Было экспериментально показано, что если поместить мёртвую рыбу в подобный вихревой след, она поплывет против течения. 

Это значит, что рыбы могут использовать различные завихрения и возмущения воды себе на пользу. Одна из многих адаптаций, которая позволяет выживать в этом турбулентном мире. 

Итак, что же получается? Турбулентность повсюду — внутри и вокруг нас, на всех масштабах: от микрометров до десятков световых лет. Она помогает самолётам летать, дождю идти, мячикам летать дальше, а рыбе — живой или мёртвой — плыть против течения. В то же время, ламинарное течение поверхностное и мелкое,.. это — игрушка, поэтому чаще всего её используют в фонтанах. Она упорядочена, и нам это нравится,… но в мире,.. как и в турбулентности — такого порядка нет. Поэтому я и предпочитаю богатство и непредсказуемость турбулентного течения. 

— Турбулентность тоже увлекательная штука… вообще, я так-то ими как раз и занимаюсь по образованию: изучаю турбулентные потоки в ракетных соплах.

— Вот как? Изменяешь ламинарности? 

— Нет. Да. Да,.. возможно. Не знаю. Но ты не заставишь меня сказать что-то плохое про турбулентность, у тебя ничего не выйдет. Я соглашусь с тобой, что это крутое явление,.. с этим я не спорю.

— Хорошо.

— Но до ламинарности всё-таки не дотягивает, ты же понимаешь.