Что такое турбулентность

Воздушный поток от крыла сельскохозяйственного самолета окрасили, чтобы показать его вихревой след и турбулентность. Фото: NASA-LaRC, www.commons.wikimedia.org Понятие турбулентности охватывает довольно обширный круг физических явлений, происходящих не только с самолетами и не только в атмосфере Земли. Извержение вулкана, течение у острова в океане и галактические облака – во всех этих не связанных между собой случаях наблюдается одно и то же фундаментальное явление – турбулентность. Турбулентность наблюдается не только в природе. Лазеры, обтекание автомобилей, их двигатели, течения в нефте- и газопроводах, трубопроводный транспорт, искусственные клапаны сердца, выращивание кристаллов для микроэлектроники, кондиционирование помещений, охлаждение электронных устройств – все из примеров так или иначе связаны с газами и жидкостями, а значит – имеют отношение к турбулентности. Можно сказать, что наш мир из нее состоит. Про любое течение, независимо от того, в каких условиях оно происходит и какая течет жидкость (или газ), можно однозначно сказать, является оно турбулентным или нет. Для обозначения жидкости или газа в гидродинамике используется обобщенный термин – сплошная среда. Течение сплошной среды, чтобы его можно было считать турбулентным, в первую очередь должно быть нестационарным. Параметры такого течения зависят от времени, то есть если зафиксировать некую точку в пространстве и следить за тем, как в этой точке меняются скорость потока и давление среды (во многих случаях еще и температура), то это будут непостоянные величины. В природе существует и другой режим течения – ламинарный, но он встречается гораздо реже. В ламинарных течениях жидкость не перемешивается, они довольно предсказуемы: можно заранее предугадать параметры потока (сказать, куда будет направлен поток и чему будет равна его скорость и т. д.) в любой точке в любой момент времени. Ламинарное течение похоже на воинский строй – в нем идут четкой колонной. Она может расширяться и перестраиваться, но всегда следует приказам. Турбулентное течение не подчиняется правилам, оно напоминает столпотворение на рынке, при котором ходят в разные стороны, в разное время и используя для этого разные выходы и входы. На рисунке поток газа огибает препятствие в виде цилиндра, из-за чего образуются завихрения. Слева – более низкое число Рейнольдса, справа – более высокое. При более высоком возникает турбулентность. Иллюстрация из книги «Альбом течений жидкости и газа» Милтона Ван Дайка. www.nashaucheba.ru На рисунке показан типичный пример упорядоченного нестационарного потока при обтекании круглого цилиндра. Течение сплошной среды направлено слева направо. С точки зрения механики, цилиндр движется с постоянной скоростью справа налево в неподвижной среде. Область за цилиндром называется «след» – это примерно то же самое, что и след за летящим самолетом, который хорошо виден с земли в светлое время суток в ясную погоду. Вихри, образующиеся за цилиндром, будут с течением времени сноситься вниз по потоку (вправо), а вблизи цилиндра возникнут новые вихри. Эти процессы приводят к тому, что структура потока становится нестационарной и параметры (скорость и давление) в каждой точке зависят от времени. Однако, поскольку процессы схода вихрей не происходят хаотично, а повторяются с определенной частотой, которую можно предсказать заранее, построив графики, параметры потока в любой точке в следе за цилиндром в любой момент времени тоже можно определить заранее. Картина течения, представленная на рисунке, будет воспроизводиться через определенное время, которое всегда заранее известно. Именно в этом и заключается свойство упорядоченности нестационарного потока сплошной среды. Когда возникает турбулентность, то все ведет себя хаотично, и в каждом новом расчете получаются новые результаты. Струны Эоловой арфы, музыкального инструмента, способного звучать без воздействия человека, движутся за счет «вихревой дорожки Кармана».Эолова арфа. Фото: Lia Preuss, www.flickr.com Турбулентность возникает не сама по себе, а именно на фоне такого упорядоченного движения. Течение вниз по потоку из ламинарного становится турбулентным, другими словами, происходит переход к турбулентности (ламинарно-турбулентный переход). Ключевые вопросы при изучении ламинарно-турбулентного перехода – это, во-первых, его причина, а во-вторых – сценарий перехода и какие при этом происходят физические процессы. Первым вопросом занимается так называемая теория динамического хаоса – один из разделов синергетики, науки о самоорганизации. Сами эти слова мало о чем говорят, но основополагающая идея вполне понятна. Суть в том, что любая форма движения, в том числе поток среды, обладает определенной устойчивостью по отношению к воздействиям внешних факторов. Какие-то формы движения более устойчивы, а какие-то менее – точно так же, как, например, мобильный телефон, лежащий на столе плашмя, находится в более устойчивом равновесии, чем тот же самый телефон, поставленный на ребро. При малейшей вибрации или дуновении ветра телефон опрокинется – с точки зрения физики это значит, что система потеряла устойчивость. Турбулентность в потоках жидкостей и газов тоже возникает, когда система теряет устойчивость. Но только здесь в роли системы выступает уже не телефон, а упорядоченное движение среды – как, например, в примере с обтеканием круглого цилиндра. Принцип тот же самый: пока нет сильного воздействия внешних факторов, упорядоченная, она же ламинарная, форма движения может существовать, аналогично и телефон еще может стоять на ребре. Однако, как только уровень внешних возмущений, степень воздействия на систему внеплановых факторов достигает критической величины, поток жидкости за цилиндром больше не может иметь такую упорядоченную структуру, как раньше. Форма движения теряет устойчивость и не может больше существовать, возникает новая форма движения. В этой новой форме движения течение жидкости является не ламинарным, а турбулентным. В отличие от ламинарных потоков, в которых пространственная структура течения и динамические характеристики зависят от времени регулярно, турбулентный поток, наоборот, имеет свойство нерегулярности, случайности и хаотичности. В турбулентных потоках всегда происходит более интенсивное перемешивание (диффузия), чем в ламинарных. Например, в ламинарный и турбулентный потоки воды можно добавить одинаковое количество краски, и во втором случае вода окрасится гораздо быстрее. Тот же эффект будет наблюдаться, если мы внесем ароматизатор в ламинарный и турбулентный потоки воздуха, – во втором случае запах будет распространяться заметно быстрее. При сильных порывах ветра мы ощущаем больший холод, чем при ветре, который дует равномерно и спокойно, несмотря на то что температура воздуха и там, и там одинаковая. Это также следствие того, что в турбулентных течениях все процессы переноса массы и тепла происходят быстрее, чем в ламинарных течениях. Из-за приливной электростанции СиДжен (SeaGen) в Великобритании вода становится турбулентной Фото: Alex Nimmo Smith www.theconversation.com От чего же зависит потеря устойчивости, приводящая к переходу ламинарного течения в турбулентное? Вернемся ненадолго к примеру с телефоном на столе. Очевидно, что чем больше у телефона толщина (при фиксированных длине и ширине), тем проще поставить его на ребро и тем больше шансов, что он останется стоять при легком ударе по столу. Можно сказать, что устойчивость этой механической системы зависит от соотношения двух характерных размеров. Первый размер – это толщина, второй – длина или ширина. Система характеризуется двумя масштабами, и от того, насколько эти масштабы друг от друга отличаются, зависит вероятность того, что система потеряет равновесие. Этот же принцип работает и при переходе ламинарного течения в турбулентное. В роли такого «соотношения двух масштабов» выступает число Рейнольдса – это параметр, который на картинках с цилиндром обозначен Re и назван по имени Осборна Рейнольдса, английского механика, физика и инженера. Число Рейнольдса характеризует степень влияния сил инерции и вязкого трения в рассматриваемом потоке. При более высоком значении Re инерция сильнее доминирует над вязкостью, чем при более низком. Силы инерции делают течение менее устойчивым, а вязкое трение – наоборот, способствует повышению устойчивости. Именно поэтому постепенное увеличение числа Рейнольдса ламинарного потока в какой-то момент приведет к достижению критического значения, потере устойчивости и переходу к турбулентности. При числе Рейнольдса, превышающем критическое значение, упорядоченное движение возможно теоретически в идеальных условиях, но оно больше не может существовать реально при тех внешних факторах, которые воздействуют на систему и делают условия неидеальными. Самолеты в небе почти всегда находятся в условиях, далеких от идеальных. Ясное небо в аэропорту вылета не гарантирует спокойной погоды на протяжении всего рейса. Часто в зоне контроля, когда один самолет летит в непогоду, а другой – нет, пассажиры возмущаются: «В Волгограде уже давно солнечно, и рейс другой авиакомпании вылетел час назад». На самом деле, решение лететь или не лететь в непогоду зависит не только от желания пилотов, но и от их квалификации и характеристик самолета. Один пилот может лететь в непогоду, другой – нет. Турбулентность часто является следствием непогоды. Иногда ее можно предсказать заранее, увидев на радарах, и тогда пилот предупреждает экипаж и пассажиров, включая табло «пристегните ремни», но в некоторых случаях турбулентность незаметна даже ему. Такая обманка называется «турбулентностью ясного неба». В воздухе параллельно происходит множество процессов, в разные стороны движутся потоки и течения. Единого шоссе с регулировкой для них нет, и они периодически сталкиваются друг с другом. Потоки разнонаправленного воздуха в турбулентных течениях внутри грозовых фронтов раскачивают самолет. Воздушное судно, кроме того, может попасть в турбулентность, «оставленную» другим самолетом, – такое же облако, но искусственного происхождения. По утверждению авиаинженеров, турбулентность не опасна для современных лайнеров. Избежать ее совсем не получится – от этого явления не спастись даже в космосе. Фото из личного архива Олега Карлика Олег Карлик, пилот вертолета Ми-8, на летной работе – 32 года: Турбулентность, в простонародье «болтанка», есть практически всегда: в облаках, над горами или морями. Есть и «турбулентность ясного неба», просто ее визуально не всегда определишь заранее, и этим она пугает. Неожиданностью для пассажиров. А так как она зависит от огромного количества причин, то предсказать ее характер и интенсивность у метеорологов получается не всегда. Это разнонаправленные, иногда упорядоченные, иногда хаотичные воздушные потоки. Чем легче воздушное судно, – не важно, самолет, вертолет или дельтаплан с дирижаблем, – тем эти самые потоки сильнее или слабее, и ощущается это в полете по-разному. Легкую и не скоростную технику «треплет» дольше, тяжелые и скоростные лайнеры – меньше. Но не всегда. Экипажи обязаны быть пристегнуты ремнями на протяжении всего полета, в том числе из-за возможной «болтанки». Что касается полетов «на эшелоне» (условная высота, на которой находится воздушное судно, рассчитанная так, чтобы не сближаться с другими самолетами), то там экипаж практически ничего не делает – с «болтанкой» вполне успешно справляются автопилоты (их сейчас по два, а то и больше стоит). Пассажиры чувствуют тряску, вибрацию, иногда подбрасывает вверх или вниз. Ничего в этом страшного и опасного нет, так как воздушные суда рассчитаны на гораздо большие нагрузки, нежели те, которые бывают при слабой или умеренной турбулентности. А вот сильная турбулентность уже опасна. Но она бывает в грозовых облаках, смерчах и бурях. А туда нормальные люди по собственной инициативе не суются, и приборы – метеолокаторы, в частности, с помощью которых грозы легко и стандартно определяются, а потом обходятся, на пассажирских самолетах есть. Но это в полете, высоко, «на эшелонах». «Болтанка» бывает и у земли, при посадке или взлете. В этом случае экипаж «активно пилотирует», то есть парирует все отклонения от заданной траектории полета органами управления. В качестве характерного примера извержения вулкана, которое сопровождалось очень сильным проявлением турбулентности, можно привести извержение вулкана Мон-Пеле (или Монтань-Пеле, от фр. Montagne Pelee – «лысая гора»). Вулкан находится в северной части острова Мартиника (Малые Антильские острова в Карибском море) и печально известен из-за мощного извержения, произошедшего в 1902 году и фактически уничтожившего целый город, в котором погибло около 30 тыс. человек. В процессе извержения вулкана образовалась огромная туча из смеси раскаленных газов, пепла и обломков горных пород – так называемая «палящая туча» или эруптивное облако. В таких эруптивных облаках развивается очень интенсивная турбулентность. Она, в свою очередь, создает в атмосфере инфразвуковые волны и другие типы акустических возмущений, что может негативно сказываться на полете самолетов на достаточно близком расстоянии от облака. Похожее явление наблюдалось на Камчатке в 1956 году, когда мощным взрывом была уничтожена вершина вулкана Безымянный. В последнем случае помимо образования «палящей тучи» извержение привело и к тому, что по склонам вулкана сошли раскаленные лавины, которые растопили снег и создали мощные грязевые потоки. Грязевые потоки, кстати, тоже являются примером турбулентных течений. Извержение вулкана Монтань-Пеле, май 1902 г. Фото: А. А. Яковлев, www.ru.wikipedia.org Турбулентность в галактических облаках является ключевым фактором, объясняющим не так давно открытое явление выгорания (или смерти) галактик при их столкновениях друг с другом (в научном сообществе такие столкновения часто называют «космическими ДТП»). В галактических облаках газа образуются локальные зоны турбулентности. Эти зоны преобразуют энергию движения галактик в тепло, а тепло мешает формированию новых звезд и способствует выгоранию галактики. «Турбулентность перемешивает газ, подобно ложке в стакане, чего мы никогда раньше не видели», – так рассказывал об обнаруженном эффекте один из членов научной группы, Джек Бернс из университета Колорадо (США). Первопричиной возникновения турбулентности в данном случае является столкновение отдельных скоплений газа и межзвездной пыли. Перед столкновением эти скопления движутся с огромными сверхзвуковыми скоростями, поэтому инерция доминирует над вязкостью настолько сильно, что турбулентность развивается очень быстро (в масштабах времени всего наблюдаемого процесса – практически мгновенно). Межзвездное пространство тоже «штормит» от турбулентности. Она, например, играет роль важной физической характеристики в процессе образования звезд. Фото: ESA, NASA and J. Hester, www.nasa.gov Турбулентность соседствует с нами во всех сферах жизни – от далеких космических бурь до океанических течений. Что поделать, мы живем в мире хаоса, не порядка. Даже сам термин «турбулентность» происходит от латинского «беспорядочный». Знал об этом свойстве жидкостей и газов еще Леонардо да Винчи. Всем, кто в самолете при объявлении турбулентности паникует, следует пристегивать ремни. Все остальное уже сделали авиаинженеры и физики.