Жидкости и турбулентности

Многие физические процессы носят турбулентный характер. Турбулентность является своеобразным звеном между весьма отдаленными явлениями, которые исследуются в различных областях науки. Понять до конца общие закономерности турбулентности и специфику отдельных явлений пока не удалось.

Неподвижная водная гладь озера в безветренную погоду. Приближаемся к месту, где из озера вытекает речка. Здесь уже заметно перемещение водных масс. Вначале течение плавное, спокойное. Но вот движение воды усиливается и становится турбулентным — начинаются пороги.

Медленно подогреваем сосуд с водой. Поначалу никакого движения воды не замечаем. Температура ее приближается к 100 ° С, и вода начинает бурлить, возникает турбулентное движение — вода кипит.

Во всех приведенных примерах покой или слабое возбуждение переходят в состояние, для которого характерны нерегулярность и хаотичность. Такое состояние принято называть турбулентным. Последнее движение жидкости в горизонтальной трубе, диаметр которой не меняется. Чтобы движение началось, необходимо создать разность давления в различных частях трубы. Тогда жидкость начнет перемещаться из места с большим давлением в место с меньшим давлением. Скорость движения зависит от разности давления, размеров трубы, шероховатости ее стенок, а также от физических свойств жидкости. При медленном перемещении жидкости движение будет спокойным, ламинарным. Вся вода в общем потоке перемещается параллельно. (Для лучшего наблюдения за движением в прозрачной трубе жидкость можно подкрасить.) Несмотря на параллельное перемещение, скорость движения отдельных потоков по сечению трубы неодинакова. В середине она максимальна, а с приближением к стенам трубы падает до нуля. В физике такое движение характеризуют профилем скорости. Из - за микронеровностей стенки, характер движения вблизи нее несколько меняется, жидкость огибает неровности. Важно, что в случае ламинарного течения эти локальные возмущения при небольшом удалении от стенки уже не проявляются. Так же как резкие извилины береговой линии мало влияют на ламинарное течение воды в середине реки. Математики в таком случае говорят, что поток устойчив по отношению к небольшим произвольным изменениям (возмущениям). Разность давления в разных сечениях трубы при ламинарном течении пропорциональна скорости движения жидкости. Если жидкость начинает двигаться быстрее, в потоке образуются вихри. При возрастании их числа они начинают взаимодействовать друг с другом. Число вихрей, как и их размеры, непрерывно меняются. Каждый вихрь несет в себе определенную энергию. При взаимодействии эта энергия может передаваться от больших вихрей к малым или наоборот. В очень малых вихрях определяющую роль играют эффекты вязкости, энергия выделяется в виде тепла, а микровихрь исчезает.

Подсчитав при выраженной турбулентности количество вихрей разного размера в определенном объеме, получим картину распределения числа вихрей по размерам, так называемый спектр турбулентности. Так, при малых скоростях наблюдаем спокойное, ламинарное движение, а при больших — бурлящее, богатое разного размера вихрями, турбулентное.

Существенным является вопрос о характере перехода из одной формы движения в другую. Одни исследователи утверждают, что переход имеет плавный характер. Значит, с постепенным возрастанием скорости ламинарное движение с начальным профилем становится неустойчивым. В результате характер движения меняется, но остается ламинарным, только с более сложным профилем. Это мог бы быть начальный ламинарный поток с примесью определенного числа вихрей. Скорость продолжает возрастать и неустойчивым становится уже новый профиль. Так повторяется до образования турбулентного движения. Интервалы скоростей, в которых устойчива та или иная форма движения, могут быть очень узкими, поэтому возможность экспериментально наблюдать такой переход весьма проблематично.

Другие исследователи считают, что уже после нескольких "шагов" движение вдруг становится турбулентным. Существует и взгляд, который в некотором смысле объединяет все упомянутые выше наблюдения. Утверждается, что после скачкообразного наступления турбулентности с дальнейшим возрастанием скорости могут также образоваться особые "островки", в пределах которых существует определенный тип ламинарного движения.