Turbulens

Grundbeskrivelse

Turbulens forekommer overalt. Fra morgenkaffen, når teskeen bevæges frem og tilbage, luftstrømninger henover en golfbold og helt til de fjerneste stjernetåger.

Hovedsageligt opstår turbulens, når gasser eller væske skal passere noget. Det kan enten være en sten i en flod, to forskellige gasser, der støder sammen, eller bare vi trækker vejret.

Så længe en væske eller gas bevæger sig som en samlet masse med små hastigheder, opfører den sig forudsigeligt - Også kaldet laminar da der dannes pæne 'lag'.

Men så snart man når en kritisk hastighed, vil væsken blive turbulent. Den kritiske hastighed afhænger af viskositeten af væsken.

Viskositeten er et mål for, hvor sejt et materiale er at bevæge sig igennem. Væsker med lav viskositet er f.eks. vand og mælk. Væsker med en høj viskositet er tykke olier og sirup.

Når f.eks. væske bliver turbulent, dannes der hvirvler og eddier ('krøllerne' der ses, når man trækker hånden gennem vand). De findes i alle størrelser og steder i væsken inden for det turbulente område.

Uddybende beskrivelse

Turbulens er kaotisk. At noget er kaotisk betyder, at man ikke kan forudsige præcist, hvordan det vil opfører sig. Det viser sig ved, at hastigheden og retningen af væsken, luften, eller hvad der nu kigges på, ændrer sig hele tiden.

Fordi turbulente strømninger er uregelmæssige, må man ty til en slags kvalificeret gæt (sandsynlighedsregning) når man skal forudsige, hvordan det opfører sig. Og der er lavet adskellige computermodeller, der prøver at efterligne turbulente systemer. De har som regel kraftige begrænsninger. Så der er i bedste tilfælde kun tale om en god tilnærmelse. Hvilket også er en af grundene til, at vejrudsigten ikke altid passer lige godt.

Når en strøm er turbulent, afsætter den mere energi i omgivelserne og spreder sig hurtigere end ved ordnet strømning. Turbulens er derfor effektivt, når det gælder om at få blandet eksempelvis varmt og koldt vand eller gasser som på billedet her.

Netop fordi turbulente strømninger er så gode til at sprede energien, er man nødt til konstant at tilføre mere energi, hvis man vil opretholde en turbulent strømning.

Turbulens skabt når en hurtigflydende væske rammer en forhindring kan danne strukturer kaldet eddier - se billedet til højre. En eddy er en hvirvel, der fremkommer ved, at et stillestående område dannes lige bag forhindringen når væsken strømmer forbi. Væsken bag forhindringen flyder da imod strømmen mod det stillestående område og skaber dermed en hvirvel på begge sider af forhindringen. I naturen kan dette ses tydeligt ved store sten i hurtigtflydende floder og for den sags skyld også på billedet af vingen herover.

Reynolds tal

Man kan til dels forudsige, om et system bliver turbulent, ved at se på Reynolds tal.

Reynolds tal er et dimensionsløst tal, der angiver forholdet mellem de fiktive og viskøse kræfter.
\[Re=\frac{\rho U L}{\mu}\]
Hvor Re er Reynolds tal, \(\rho\) er massefylden, \(\mu\) er viskositeten og \(U\) og \(L\) er hhv. den typiske hastighed (overordnet hastighed af væsken) og typiske længde (den tilbagelagte strækning).

Hvis man har høje hastigheder, store friktionskræfter og lille viskositet er forholdene perfekte for, at der dannes turbulens. Eller sagt på en anden måde - væsker, hvor de fiktive kræfter dominerer, har høje Reynolds tal og dermed tendens til at blive turbulente, mens væsker, hvor de viskøse kræfter dominerer, har lavt Reynolds tal og som oftest er ordnede.

Chano Birkelind