Was ist Turbulenz und wie entsteht sie?

Luftturbulenzen sind den Strömungen eines Flusses sehr ähnlich.

Wenn sich ein Luftpaket oder Luftstrom anders bewegt als der Bereich um ihn herum, kommt es beim Übergang zwischen ihnen zu Turbulenzen.

Ein Beispiel wäre, wenn Sie an einem windigen Tag draußen sind, aber hinter einem Baum stehen, um „aus dem Wind zu kommen“. Wenn Sie hinter dem Baum hervortreten, spüren Sie einen plötzlichen „Ruck“, wenn der Wind auf Sie trifft. Wenn es ein besonders starker Wind ist, kann es sogar dazu führen, dass Sie für eine Sekunde das Gleichgewicht verlieren, bis Sie es ausgleichen. Nun, diese unsichtbaren Luftströmungen wirken sich auf ein Flugzeug in ähnlicher Weise aus.

Normalerweise ist es nicht gefährlich, und ich stelle es mir vor, als würde man eine holprige Straße hinunterfahren. Natürlich ist es in einem Flugzeug meist noch sicherer, denn selbst wenn Sie ein großes „Schlagloch“ erwischen, müssen Sie sich keine Sorgen machen, dass Sie von der Straße gegen einen Baum geschleudert werden.

Die tatsächliche Bewegung der Luft kann durch mehrere Dinge verursacht werden:

• Wind trifft auf etwas (wie ein Gebäude oder einen Berg) und verschiebt es (wie Felsen in einem Fluss).
• Luft, die vom Boden erwärmt wird und dadurch aufsteigt.
• Wetteraktivitäten wie Fronten, Gewitter oder Jetstreams.
• Ein Flugzeug, das sich durch die Luft bewegt, verursacht selbst Turbulenzen (bekannt als Wirbelschleppen ).

Was ist Turbulenz?

Turbulenz ist

• zufällig und stochastisch

  Jede Realisierung einer turbulenten Strömung ist einzigartig und Geschwindigkeitsschwankungen sind räumlich und zeitlich sehr unregelmäßig.

• dissipativ

  Turbulenzen können sich nicht selbst aufrechterhalten und zerfallen ohne Energiezufuhr aus der Umgebung (z. B. mittlere Scherung im Geschwindigkeitsfeld oder Auftrieb) in eine laminare Strömung. Das Reduzieren der Viskosität in einem Fluss beseitigt nicht die Dissipation, es verschiebt die Dissipation nur auf immer kleinere Skalen.

• diffusiv

  Ein zeitlich gemittelter Skalar, der in einer turbulenten Strömung transportiert wird, hat eine größere Wolke als die einer laminaren Strömung. Wenn Sie beispielsweise einen Farbstoff in einen ruhig fließenden Fluss und einen in einen turbulent fließenden Fluss injizieren, würde die Farbstofffahne einen größeren Bereich in der turbulenten Strömung bedecken.

• dreidimensional

  Die 3D-Wirbeldynamik spielt eine sehr wichtige Rolle bei Turbulenzen, und in den meisten Fällen können Sie eine turbulente Strömung nicht als 2D-Problem darstellen.

• auf einer Vielzahl von Skalen auftreten

  Dies ist vielleicht die wichtigste Unterscheidung. Wenn ich Skala sage, beziehe ich mich auf eine charakteristische Länge und Geschwindigkeit eines Wirbels oder Wirbels. Turbulenz wird auf größeren Skalen erzeugt und überträgt ihre Energie auf immer kleinere Skalen. In einem (sehr kleinen) Maßstab beginnt die Dissipation und die Turbulenz klingt ab. Ein Merkmal einer turbulenten Strömung ist Energie in allen Größenordnungen, was im Grunde bedeutet, dass es Wirbel aller Größen gibt und es die Wechselwirkung zwischen all diesen Wirbeln ist, die Turbulenzen erzeugt.

Wie passiert es?

Die Hauptproduktion von Turbulenzen erfolgt durch mechanische Produktion und schwimmende Produktion. Turbulenzen entstehen, weil durch diese Produktionsverfahren Energie eingebracht wird. Die Turbulenzen werden von selbst abklingen, aber nicht aufhören, bis die Produktion eingestellt wird.

• Die mechanische Produktion kann man sich als Scherströmung oder als Luft mit zwei unterschiedlichen Geschwindigkeiten vorstellen. Dies kann auch Wind gegen eine Wand oder um ein Objekt herum sein. Der Geschwindigkeitsgradient an der Peripherie des Jetstreams ist eine Scherströmung, und die Grenzschicht, in der wir leben, ist an den meisten Tagen eine scherende Umgebung.

• Die schwimmende Produktion erfolgt durch Auftrieb. Relativ warme Pakete steigen auf und dies wird durch Absenkungen ausgeglichen, und wenn Sie diese Thermiken und den Abstieg zwischen ihnen verfolgen und stark genug blinzeln, können Sie sich Wirbel in den größten Skalen vorstellen.

Beide Methoden bringen Energie in Turbulenzen in großem Maßstab. Bei Grenzschichtströmungen kann dies in der Größenordnung von einem Kilometer oder mehr liegen, typischerweise der Höhe der Grenzschicht. Diese großen Wirbel haben ihre eigenen Störungen und diese kleineren Störungen sind die nächstkleinere Skala. Die Energie wird nach unten kaskadiert, bis die Größe der Wirbel klein genug ist, dass die Viskosität die Trägheitskräfte dominiert, und die Energie geht dann als Erwärmung aus der Turbulenz verloren. Die Überlagerung dieser Wirbel auf allen Skalen gleicht einem wirren, holprigen Durcheinander, und genau so erleben wir Turbulenzen.