Flux turbulent: diferència entre les revisions

[[Fitxer: escala turbulenta.png | thumb | right | Imatge del flux al voltant d'una esfera: <math>R/eD=\frac{U_0 D}{v}=2.10^4</math> Noteu el canvi d'escales de gran a petita, que és un dels aspectes fonamentals dels fluxos turbulents.]]

[[Fitxer: Vel en mov turbulento.PNG|thumb|Distribució de velocitats a l'interior d'un tub amb flux turbulent.]]

Dins l'entorn de [[mecànica de fluids]], s'anomena '''''flux turbulent'' '''o''' ''corrent turbulent''''' el moviment d'un [[fluid]] que es dóna en forma [[caos|caòtica]], en què les [[partícula puntual|partícules]] es mouen desordenadament i les trajectòries de les partícules es troben formant petits remolins aperiòdics, com ara l'aigua en un [[Canal (enginyeria)|canal]] de gran pendent. A causa d'això, la trajectòria d'una partícula es pot predir fins a una certa escala, a partir de la qual la seva trajectòria de la mateixa és impredictible, més precisament [[teoria del caos|caòtica]].

Una '''turbulència''' en la [[dinàmica de fluids]] és un règim fluid caracteritzat per canvis caòtics o [[estocàstic]]s de les seves propietats. Això inclou una baix [[moment]] de difusió, un alt moment de convecció i una ràpida variació de la [[pressió]] i la [[velocitat]] en l'espai el temps. El premi Nobel [[Richard Feynman]] descriu la turbulència com "el problema més important sense resoldresresoldre's de la física clàssica."<ref>{{ref-notícia|url=http://www.usatoday.com/tech/science/columnist/vergano/2006-09-10-turbulence_x.htm |obra=USA Today |títol=Turbulence theory gets a bit choppy |data= 10 setembre 2006}}</ref> El flux que no és turbulent s'anomena [[flux laminar|''flux laminar'']].

Les primeres explicacions científiques de la formació del flux turbulent procedeixen de d'[[Andrei Kolmogórov]] i [[Lev Davidovich Landau|Lev D. Landau]] ([[teoria de Hopf-Landau|(teoria de Hopf-Landau]])., Encaraencara que la teoria modernament acceptada de la turbulència va ser proposada el [[1974]] per [[David Ruelle]] i Floris Takens.

EncaraTot i que no hi ha cap fórmula que relacioni el [[nombre de Reynolds]] i la turbulència, els fluxsfluxos amb alt nombre de Reynolds passen a ser turbulents, mentre que els que el tenen baix normalment romanen laminars.

Encara que les [[equacions de Navier-Stokes]], que es remunten al [[segle XIX]], descriuen adequadament tant el [[flux laminar]] com el flux turbulent, el mecanisme concret de l'inici del moviment turbulent va seguircontinuar sent un misteri durant molt de temps. Experimentalment, s'havia vist que el flux turbulent semblava involucrar vòrtexvòrtexs més i més petits cada vegada, però ja que els fluids estan fets d'àtoms tard o d'hora s'arribaria a escales atòmiques on no podrien existir aquests [[vòrtex|vòrtexs]] i, en aquest nivell de descripció, les equacions de Navier -Stokes no poden constituir una descripció vàlida.

Així, inicialment, el matemàtic francès [[Jean Leray]], el [[1934]], va proposar la teoria de que el moviment turbulent és un efecte [[macroscòpic]] de l'estructura atòmica. Les inexactituds en les dimensions atòmiques en les equacions de Navier-Stokes introduirien efectes no cotemplatsconsiderats en aquestes equacions, es propaguen a nivells més alts i això és el que veiem com a flux turbulent. En aquest moment, l'estructura atòmica estava molt de moda com a explicació i aquesta teoria va ser mantinguda durant algun temps fins que Landau i Hopf van proposar una idea més realista i [[falsabilitat | experimentalment verificable]].

Menys d'una dècada després de la proposta de Leray, el [[1944]], [[Lev Davidovich Landau | Lev Landau]] proposava una idea més concreta sobre l'inici de la turbulència. L'article de Landau començava així:<ref> I. Stewart, 2001, p. 223. </ref>

Landau considerarconsiderà la turbulència com el resultat d'un flux d'un fluid inicialment estable que adquireix un moviment addicional de vibració, i després un altre i un altre. Així, una turbulència podia ser inicialment un flux estable amb tres o quatre moviments periòdics superposats, i va idear un mecanisme pel qual, quan es provoca el flux totalment turbulent, el nombre de moviments periòdics es fa infinitament gran. El mecanisme bàsic de creació de les vibracions addicionals es coneix com a [[bifurcació de Hopf|''bifurcació de Hopf'']], en honor a [[Eberhard Hopf]]. Per aquesta raó i perquè el propimateix Hopf, el 1948, va proposar una teoria bastant més detallada sobre la proposta de Landau, aquesta teoria es va cridaranomenar ''teoria de Hopf-Landau''.

Un model simplificat de les equacions de Navier-Stokes, l'holandès Burgers de les equacions, que podia ser resolt explícitament, va mostrar que apareixia un flux turbulent segons la línia de Landau. Per aquesta raó, durant les tres dècades següents, la teoria de Hopf-Landau va ser acceptada i utilitzada àmpliament. Era simple i comprensible i era accessible mitjançant les tècniques clàssiques d'[[transformada de Fourier|anàlisi de Fourier]], de manera que permetia fer alguns càlculs aproximats. No obstant això, experiments detallats a la [[dècada de 1970]] van provar que la teoria de Hopf-Landau no podia competir amb una teoria rival propostaproposada inicialment perpels dos matemàtics.

{{Sense resoldre|Físicafísica|És possible fer un model teòric per descriure el comportament d'un flux turbulent - en particular, les seves estructures internes?}}

Quan el flux és turbulent, les partícules presenten moviment transversal addicional que augmenta la taxa de l'energia i l'impuls de canvi entre ellssi, elcosa que augmenta el coeficient de transmissió tèrmica, [[transferència de calor]] i el [[coeficient de fricció]].

Suposem per un flux turbulent de dues dimensions que un era capaç de localitzar un punt específic en el líquid i mesurar la velocitat real v <math>v=\left( {{v}_{x}},{{v}_{y}} \right)</math> de cada partícula que passa per aquest punt en un moment donat. Aleshores, podríem trobar la velocitat real fluctuafluctuant al voltant d'un valor mitjà:

i el mateix per a la temperatura <math> \left (T = \overline{T}+{T}\right) </math> i la pressió <math>\left( P=\overline{P}+{P}' \right)</math>, onen què les quantitats preparatpreparades denoten fluctuacions superposades a la mitjana.

Aquesta descomposició d'una variable de flux a un valor mitjà i amb una fluctuació turbulenta va ser proposatproposada originalmentoriginàriament per Osborne Reynolds el 1895, i és consideratconsiderada com l'inici de l'anàlisi sistemàtica matemàtica de flux turbulent, com un sub-campsubcamp de la dinàmica de fluids. Si bé els valors mitjans es prenen com a variables previsibles, determinats per les lleis dinàmiques, les fluctuacions turbulentes es consideren variables estocàstiques.

El flux de calor i transferència d'energia cinètica (representat per l'esforç tallant <math> \tau </math>) en la direcció normal al flux durant un temps determinat esés:

onen què <math>{{c}_{P}}</math> és la calor [[]] capacitat a pressió constant, <math> \rho </math> és la densitat del fluid, <math>{{\mu }_{\text{turb}}}</math> és el coeficient de viscositat turbulenta [[]] i <math>{{k}_{\text{turb}}}</math> és la turbulenta [[tèrmica conductivitat.]]<ref> H. Tennekes i Lumley JL, "Un primer curs en turbulència", The MIT Press, (1972). </ref>

Una '''turbulència atmosfèrica''' és una agitació de l'atmosfera, que s'aprecia en una capa, propera a terra i de gruix variable, i es caracteritza per un canvi sobtat de direcció i intensitat del vent en una curta distància en sentit vertical. Freqüentment, es classifiquen les turbulències segons la causa que les origina:

* '''Turbulència mecànica''', passa quan obstacles com ara una edificació, un terreny irregular o arbres intervenen amb el flux normal del vent.

* '''Turbulència convectiva''', anomenada també ''turbulència termal'', és un fenomen típic de les hores diürnes, amb bon temps, es forma pel pas d'aire fred sobre les masses d'aire calent o quan, per efecte de la radiació solar a, el sòl escalfa les masses d'aire.

* '''Turbulència frontal''', es genera al pas d'un front fred que es desplaça ràpidament, ocasiona ràfegues de fins a 1000 '/ mim i se lila coneix també com a ''ràfegues prefrontals''.

* '''Estela turbulenta''', es produeix per la diferència entre l'intradós i l'extradós del perfil alar formant aquest fenomen. (Ex.: Imatgeimatge de l'aeronau mostrada a la figura de dalt.)

* '''Turbulència d'aire clar''' o les seves sigles en anglès CAT (Clear Air Turbulence): tipus de turbulència severa, que passa a partir dels 15.000 peus; les seves característiques són: sense indicacions físiques com pols, partícules, etc. Ocorre per la interacció de diferents capes d'aire amb diferents velocitats associades a corrents convectius que s'associen amb uns tipus de vents anomenats ''Jetstream''.

ModeradaLleugera: 15 5 a 24.9nudos14/09 nusos 0.5g20 g - 0.99g49 g 1200300 '- 20991199'

Severa>Moderada: 15 a 25nudos24.9 1nusos 0.0g5 g - 10.99g99 g 21001200 '- 29992099'

* Les condiconscondicions de flux de molts dels equipaments industrials, com per exemple les canonades, i màquines com perara exempleels els[[motor]]s de combustió interna.

* [[Nombre de Reynolds]].

* [[Diagrama de Moody]].

* [[Flux laminar]].

* [[Seeing (astronomia)]].

* [[Llei de Poiseuille|Llei de Poiseuille.]]

* [[Gir oceànic|Gir oceànic.]]

* Vine Et Chow, Hidràulica dels canals oberts. 1982. ISBN 968-13-1327-5.