Турбулентність Так, але з перервами
Рисунок 1: Турбулентна пляма: На малюнку ми спостерігаємо "турбулентне пляма", область, в якій потік виглядає невпорядкованим, оточений ламінарним потоком. Контури цієї плями з часом деформуються, але частина потоку, яку вона займає, турбулентна частка, залишається по суті постійною.
Група нестабільності та турбулентності СПЕК експериментально вивчає перехід від ламінарного режиму до турбулентного режиму модельного потоку.
Будь то в атмосферних потоках, в контурах охолодження або навколо літака, потоки води, повітря або будь-якої іншої рідини іноді є ламінарними (спокійними та регулярними), іноді турбулентними (безладними). Весь потік характеризується безрозмірним числом, числом Рейнольдса, R, яке пов'язує швидкість і геометрію потоку з в'язкістю рухомої рідини. Він ламінарний з низьким числом Рейнольдса і стає турбулентним, коли останній збільшується, наприклад, за рахунок збільшення швидкості рідини. Тоді ми говоримо про перехід до турбулентності.
Для багатьох потоків, таких як потоки води в трубопроводі, перехід відбувається різко і призводить до складної просторово-часової динаміки. Ми говоримо про субкритичний перехід, для якого на сьогоднішній день не існує офіційних рамок опису. Отже, якби наші домашні водопровідні труби були прозорими, ми всі могли б спостерігати наявність турбулентних плям (рис. 1), наявність яких є одним із найвизначніших проявів цих переходів до турбулентності.
План потоку ковдри
Потік отримують у повітряному зазорі прозорого нескінченного пояса (1), який керується шайбами (2), рухається з однаковою швидкістю і занурюється в резервуар, наповнений водою. Отримуємо плоский потік, рівномірно зрізаний, між двома стінками, що рухаються зі швидкістю + U та –U. Корисна довжина потоку становить 1 метр, а товщина зрізаного шару рідини - 2 год = 7 мм. Контрольним параметром, який керує переходом, є число Рейнольдса R = Uh/n, де n - в'язкість. Потік засіяний дрібним срібним блиском, освітленим лазером. Їх функція полягає в перекладі рухів потоку, які відрізняються від початкового зсуву. Система збору та обробки зображень дозволяє кількісно характеризувати перехід.
Команда SPEC була присвячена експериментальному дослідженню переходу до турбулентності в плоскому потоці Куетта (див. Вставку), прототипі субкритичних переходів у гідродинаміці. Безперешкодно потік залишається ламінарним. Якщо воно порушується впорскуванням води, перпендикулярної поясу, залежно від випадку, може спостерігатися миттєве послаблення збурення або утворення стійкої або метастабільної турбулентної плями (рис. 1). Її еволюція супроводжується вимірюванням турбулентної фракції з часом (рис. 2). Коли число Рейнольдса залишається нижче першого порогу, R Rc, крім двох попередніх способів поведінки, турбулентне пляма може бути стабільним і підтримуватися необмежений час.
Рисунок 2: Турбулентна частка в часі. (Ru = 312; Rc = 325)
Коли для одного і того ж числа Рейнольдса можливі кілька часових еволюцій, вони залежать від типу та амплітуди збурення.
Ця залежність надзвичайно чутлива, і лише статистичне вивчення реакції потоку має сенс. Для даного типу збурень ми можемо лише оцінити ймовірність отримання певної зміни залежно від величини збурення.
Ці основні характеристики реакції потоку на локалізоване збурення струменя, наявність тривалих перехідних процесів, метастабільність, висока чутливість до характеру збурення можуть бути змодельовані суто часовою динамічною системою, отриманою групою з MIT у 1997 році ( Waleffe F., Phys of Fluids 9 (4), 1997).
Нас також цікавить динаміка співіснування між турбулентними та ламінарними доменами. Помічено, що ламінарні домени турбулентні лише при контакті з іншим турбулентним доменом. І навпаки, нові ламінарні домени спонтанно з’являються всередині турбулентних доменів.
Рисунок 3: Середня турбулентна частка при переході
Ця поведінка визначає динаміку, відому як просторово-часовий перерив (IST), що спостерігається у кількох детермінованих моделях, що вивчались протягом декількох років у SPEC Х. Чате та П. Манневілем. Однак ці самі властивості зустрічаються в інших моделях, імовірнісних цього разу, які служать еталоном при вивченні нерівноважних фазових переходів. Це спостереження змусило Ю. Помо в 1986 р. Запропонувати таку гіпотезу: ми повинні вміти описати перехід до режиму ІПСШ у детермінованій системі з точки зору фазового переходу.
Експериментально можна виміряти параметр порядку, усереднюючи турбулентну частку в часі, будь то для перехідних або постійних режимів. На малюнку 3 ми спостерігаємо, що зміна цього параметра порядку вздовж R неперервна при переході. Таким чином, якщо є фазовий перехід, це перший порядок.
Це дослідження дозволило виділити основні характеристики переходу. Він показав, що за допомогою статистичного аналізу реакцію потоку на скінченне локалізоване збурення все ще можна описати в рамках теорії динамічних систем. Нарешті, вона виділила особливу просторово-часову динаміку, яка дозволяє визначити параметр порядку та пропонує аналіз з точки зору фазового переходу.
Порушується питання про опис переходу до турбулентності з точки зору фазового переходу і проводяться нові експерименти, щоб спробувати точніше відповісти на нього.
Щоб дізнатись більше:
О. Даучо та Ф. Давіо, фіз. Рідини 2, (1995).
С. Боттін, Ф. Девіо, П. Манневіл, О. Даучо, Єврофіс. Lett. 43, (1998).
С. Боттін, Х. Чате, Eur. Phys J. B 6, 143 (1998)
П. Берже, Ю. Помо і К. Відал, L’espace chaotique, Герман (1998).
Олів'є Дошо, Франсуа Давіо, SPEC, CEA Saclay.