Przejście laminarno-turbulentne
W dynamice płynów proces, w którym przepływ laminarny staje się turbulentny , jest znany jako przejście laminarno-turbulentne . Głównym parametrem charakteryzującym przejście jest liczba Reynoldsa .
Przejście jest często opisywane jako proces przebiegający przez szereg etapów. „Przepływ przejściowy” może odnosić się do przejścia w dowolnym kierunku, tj. laminarno-turbulentnego przepływu przejściowego lub turbulentno-laminarnego przepływu przejściowego.
Proces ten dotyczy dowolnego przepływu płynów i jest najczęściej używany w kontekście warstw granicznych .
Historia
W 1883 roku Osborne Reynolds zademonstrował przejście do przepływu turbulentnego w klasycznym eksperymencie, w którym zbadał zachowanie się przepływu wody przy różnych prędkościach przepływu za pomocą małego strumienia zabarwionej wody wprowadzonej do środka przepływu w większej rurze.
Większa rura była szklana, więc można było zaobserwować zachowanie zabarwionej warstwy przepływu, a na końcu tej rury znajdował się zawór sterujący przepływem służący do zmiany prędkości wody wewnątrz rury. Gdy prędkość była niska, zabarwiona warstwa pozostawała wyraźna na całej długości dużej rury. Po zwiększeniu prędkości warstwa rozpadała się w danym punkcie i rozpraszała w przekroju poprzecznym płynu. Punkt, w którym to się stało, był punktem przejścia od przepływu laminarnego do turbulentnego. Reynolds zidentyfikował parametr rządzący początkiem tego efektu, którym była bezwymiarowa stała, później nazwana liczbą Reynoldsa .
Reynolds stwierdził, że przejście nastąpiło między Re = 2000 a 13000, w zależności od płynności warunków wejścia. Przy zachowaniu szczególnej ostrożności przejście może nastąpić nawet przy wartości Re wynoszącej 40 000. Z drugiej strony Re = 2000 wydaje się być najniższą wartością uzyskaną przy nieostrożnym wejściu.
Publikacje Reynoldsa dotyczące dynamiki płynów rozpoczęły się na początku lat siedemdziesiątych XIX wieku. Jego ostateczny model teoretyczny, opublikowany w połowie lat 90. XIX wieku, nadal jest standardową ramą matematyczną używaną dzisiaj. Przykłady tytułów z jego bardziej przełomowych raportów to:
- Udoskonalenia aparatury do uzyskiwania siły napędowej z płynów, a także do podnoszenia lub wymuszania płynów (1875)
- Eksperymentalne badanie okoliczności, które określają, czy ruch wody w równoległych kanałach ma być prosty czy falisty, oraz prawa oporu w równoległych kanałach ( 1883)
- O dynamicznej teorii nieściśliwych płynów lepkich i wyznaczeniu kryterium (1895)
Etapy przejściowe w warstwie przyściennej
Warstwa graniczna może przejść w stan turbulencji wieloma ścieżkami. To, która ścieżka jest realizowana fizycznie, zależy od warunków początkowych, takich jak początkowa amplituda zakłócenia i chropowatość powierzchni. Poziom zrozumienia każdej fazy jest bardzo różny, od prawie całkowitego zrozumienia wzrostu w trybie pierwotnym do prawie całkowitego braku zrozumienia mechanizmów obejścia .
Wrażliwość
Początkowy etap naturalnego procesu przemiany znany jest jako faza receptywności i polega na przekształceniu zakłóceń środowiskowych – zarówno akustycznych (dźwięk), jak i wirowych (turbulencje) – w niewielkie zaburzenia w obrębie warstwy przyściennej. Mechanizmy powstawania tych zakłóceń są zróżnicowane i obejmują swobodny strumień dźwięku i/lub turbulencje oddziałujące z krzywizną powierzchni, nieciągłościami kształtu i chropowatością powierzchni. Te warunki początkowe są małymi, często niemierzalnymi zaburzeniami przepływu stanu podstawowego. Stąd wzrost (lub zanik) tych zaburzeń zależy od charakteru zakłócenia i natury stanu podstawowego. Zakłócenia akustyczne mają tendencję do wzbudzania dwuwymiarowych niestabilności, takich jak np Fale Tollmiena-Schlichtinga (fale TS), podczas gdy zaburzenia wirowe zwykle prowadzą do wzrostu zjawisk trójwymiarowych, takich jak niestabilność przepływu krzyżowego.
Liczne eksperymenty przeprowadzone w ostatnich dziesięcioleciach wykazały, że zasięg obszaru amplifikacji, a co za tym idzie położenie punktu przejścia na powierzchni ciała, silnie zależy nie tylko od amplitudy i/lub spektrum zewnętrznych zaburzeń, ale także od ich fizycznego charakteru . Niektóre zaburzenia łatwo przenikają do warstwy przyściennej, inne nie. W związku z tym koncepcja przejścia warstwy granicznej jest złożona i wciąż brakuje jej pełnego wyjaśnienia teoretycznego.
Wzrost trybu podstawowego
Jeśli początkowe zaburzenie generowane przez środowisko jest wystarczająco małe, następnym etapem procesu przejścia jest wzrost w trybie pierwotnym. Na tym etapie początkowe zaburzenia rosną (lub zanikają) w sposób opisany przez liniową teorię stabilności . Konkretne niestabilności, które występują w rzeczywistości, zależą od geometrii problemu oraz charakteru i amplitudy początkowych zaburzeń. W całym zakresie liczb Reynoldsa w danej konfiguracji przepływu najbardziej wzmocnione tryby mogą się zmieniać i często się różnią.
Istnieje kilka głównych typów niestabilności, które często występują w warstwach granicznych. W przepływach poddźwiękowych i wczesnych naddźwiękowych dominującymi niestabilnościami dwuwymiarowymi są fale TS. W przypadku przepływów, w których rozwija się trójwymiarowa warstwa graniczna, takich jak skośne skrzydło, istotna staje się niestabilność przepływu krzyżowego. W przypadku przepływów poruszających się po wklęsłej krzywiźnie powierzchni wiry Görtlera mogą stać się dominującą niestabilnością. Każda niestabilność ma swoje fizyczne pochodzenie i własny zestaw strategii kontrolnych – z których niektóre są przeciwwskazane przez inne niestabilności – co zwiększa trudność w kontrolowaniu przejścia laminarno-turbulentnego.
Prosta harmoniczna warstwa graniczna dźwięku w fizyce przejścia do turbulencji
Prosty dźwięk harmoniczny jako czynnik przyspieszający nagłe przejście od przepływu laminarnego do turbulentnego można przypisać Elizabeth Barrett Browning . Jej wiersz, Aurora Leigh (1856), ujawnił, w jaki sposób nuty muzyczne (bicie konkretnego dzwonu kościelnego) wywoływały chwiejne turbulencje w wcześniej stabilnych płomieniach ulicznych latarni gazowych o przepływie laminarnym („… latarnie gazowe drżą na ulicach i placach” : Włosy 2016). Jej natychmiastowo przyjęty wiersz mógł zaalarmować naukowców (np. Leconte 1859) o wpływie dźwięku harmonicznego prostego (SH) na przyczynę turbulencji. Współczesna fala naukowego zainteresowania tym efektem osiągnęła punkt kulminacyjny, gdy Sir John Tyndall (1867) wywnioskował, że określone dźwięki SH, skierowane prostopadle do przepływu, miały fale, które mieszały się z podobnymi falami SH tworzonymi przez tarcie wzdłuż granic rur, wzmacniając je i wyzwalając zjawisko wysokooporowego przepływu turbulentnego. Jego interpretacja pojawiła się ponownie ponad 100 lat później (Hamilton 2015).
Tollmien (1931) i Schlichting (1929) zaproponowali, że tarcie (lepkość) wzdłuż gładkiej płaskiej granicy tworzy oscylacje warstwy granicznej SH (BL), których amplituda stopniowo wzrasta, aż do wybuchu turbulencji. Chociaż współczesne tunele aerodynamiczne nie potwierdziły tej teorii, Schubauer i Skramstad (1943) stworzyli udoskonalony tunel aerodynamiczny, który tłumił wibracje i dźwięki, które mogą wpływać na badania przepływu w tunelu aerodynamicznym z płaską płytą. Potwierdzili rozwój oscylacji BL z długimi czubami SH, dynamicznych fal ścinających przejścia do turbulencji. Wykazali, że określone wibracje trzepotania SH indukowane elektromagnetycznie we wstędze ferromagnetycznej BL mogą wzmacniać podobne fale trzepotania SH BL (BLF) wywołane przepływem, wytrącając turbulencje przy znacznie niższych prędkościach przepływu. Ponadto niektóre inne określone częstotliwości zakłócały rozwój fal SH BLF, zachowując przepływ laminarny do wyższych prędkości przepływu.
Oscylacja masy w płynie jest wibracją, która tworzy falę dźwiękową. Oscylacje SH BLF w płynie warstwy granicznej wzdłuż płaskiej płytki muszą generować dźwięk SH, który odbija się od granicy prostopadłej do warstw płynu. W późnym przejściu Schubauer i Skramstad znaleźli ogniska wzmocnienia oscylacji BL, związane z wybuchami szumu („turbulentne plamy”). Ogniskowe wzmocnienie dźwięku poprzecznego w późnym przejściu było związane z tworzeniem wiru BL.
Ogniskowo wzmocniony dźwięk turbulentnych plam wzdłuż płaskiej płyty z wysokoenergetycznymi oscylacjami cząsteczek prostopadle przez warstwy, może nagle spowodować miejscowe zamrożenie poślizgu laminarnego. Nagłe hamowanie „zamrożonych” plamek płynu przeniosłoby opór na wysoki opór na granicy i mogłoby wyjaśnić wiry BL z głową w dół późnego przejścia. Osborne Reynolds opisał podobne turbulentne plamy podczas przejścia w przepływie wody w cylindrach („błyski turbulencji”, 1883).
Kiedy wiele przypadkowych wirów wybucha jako początek turbulencji, uogólnione zamrożenie poślizgu laminarnego (blokowanie laminarne) wiąże się z hałasem i dramatycznym wzrostem oporu przepływu. To może również wyjaśniać paraboliczny profil izoprędkości przepływu laminarnego gwałtownie zmieniający się w spłaszczony profil przepływu turbulentnego – gdy poślizg laminarny jest zastępowany przez laminarne blokowanie, gdy wybucha turbulencja (Hamilton 2015).
Niestabilności wtórne
Same tryby pierwotne w rzeczywistości nie prowadzą bezpośrednio do awarii, ale zamiast tego prowadzą do powstania wtórnych mechanizmów niestabilności. W miarę wzrostu modów pierwotnych i zniekształcania średniego przepływu zaczynają wykazywać nieliniowości, a teoria liniowa nie ma już zastosowania. Sprawę komplikuje rosnące zniekształcenie średniego przepływu, które może prowadzić do punktów przegięcia w profilu prędkości, co zostało przedstawione przez Lorda Rayleigha jako wskazanie absolutnej niestabilności w warstwie granicznej. Te wtórne niestabilności prowadzą szybko do załamania. Te wtórne niestabilności mają często znacznie większą częstotliwość niż ich liniowe prekursory.