12. Основные положения теории турбулентности из классической гидродинамики

Общепринятые статистические и феноменологические подходы к механизму турбулентности, как правило, малоприменимы к процессам в свободной атмосфере, которые, в свою очередь, важны в описании, например, процессов рассеяния атмосферных примесей.

Основные понятия турбулентности

Впервые, при изучении движения жидкости по трубам, в результате опыта, проведенного Рейнольдсом, было дано определение турбулентного течения как неупорядоченного движения. Турбулентное движение наблюдается не только в трубах, но и в пограничных слоях.

Для объяснения сложнейшего вопроса о возникновении турбулентности в разное время выдвигалось много гипотез. В одной из них обсуждаются условия, при которых малые возмущения растут и вызывают превращение ламинарного течения в турбулентное. Такой подход к проблеме наиболее рационален, поскольку такое превращение весьма обычно в атмосферных процессах. Для природы естественны не критическая ситуация, в которой может или не может возникнуть турбулентность, а неустойчивые или устойчивые состояния, которые проявляются в течение нескольких минут или часов.

Некоторые сложные волновые движения могут иметь много признаков турбулентного течения, но не вызывать при этом рассеяния или диффузии какой бы то ни было субстанции, переносимой жидкостью.

Существует некоторое среднее движение с добавленными к нему пульсациями. Среднее движение описывается точно, а флюктуации – статистическими методами. Разделение потока на среднее и флюктуационное на основе различных критериев может проводиться достаточно субъективно. В результате турбулентность (флюктуационная часть процесса) уже выступает не как объективное свойство движения, а как объект, произвольно определяемый по нашему усмотрению. Таким образом, формулировка определения турбулентности для данной ситуации может стать отражением реальных осо­бенностей течения.

Часто встречается определение турбулентности как сложного движения, вызывающего диффузию. Примером может служить перемешивание красителя в растворителе или рассеивание табачного дыма.

Турбулентность способствует диффузии частиц вещества в сплошной среде (применительно к атмосфере – аэрозолей типа дыма и паров воды), а также любой из его характеристик: цвета, химического состава и т.п.

Частицы жидкости обладают тепловой и кинетической энергией, энергией вращения и поступательного движения. Есть свойства, не присущие постоянно жидким веществам, некоторые из них диффундируют под действием градиента давления, или механизма молекулярного переноса.

Пульсации плотности могут передаваться в жидкости под действием звуковых волн, а пульсации концентрации только при движении самого вещества.

Скорость жидкости в точке может пульсировать либо из-за вихрей, играющих частицами вещества, либо из-за волн, идущих во всех направлениях и вызывающих колебания частицы относительно ее среднего положения. При прекращении возмущения, колебания прекращаются и частицы возвращаются в прежнее положение