Чтобы рассмотреть турбулентность в FlowVision, физический процесс турбулентности должен быть определен на вкладке Phase путем выбора одной из предложенных моделей турбулентности.
Что такое турбулентность
При обсуждении различных потоков газа, жидкости или плазмы на первый план неизбежно выходит тема турбулентности. Большинство движений материи по своей природе турбулентны.
Так что же такое турбулентность? Турбулентность — это определение беспорядка, нелинейного движения. Четкого и однозначного определения термина «турбулентность» не существует. В целом, это турбулентное движение потоков, вызванное увеличением их скорости.
Для расчета других типов самолетов турбулентность рассматривается как поток с гидродинамическим критерием подобия Рейнольдса, полученным из уравнения Новье-Стокса, который больше 2320. В своих исследованиях Рейнольдс указал на факторы, влияющие на движение жидкости: турбулентный поток становится турбулентным, когда линейная скорость и плотность потока, диаметр отверстия (трубы) увеличиваются, а динамическая вязкость материала уменьшается.
Примером турбулентного потока являются воздушные потоки, т.е. вихри различных размеров, которые образуются при резком изменении направления ветра с вертикального на горизонтальное и наоборот. В результате атмосферной турбулентности возникают прерывистые ветры, различные вертикальные переносы пара, ядер конденсации и других частиц массы и формы, а также энергии в виде тепла из одного слоя атмосферы в другой.
Турбулентность в авиации
Турбулентность имеет особое значение в авиации. Не все знают, что такое турбулентность в самолете. Когда вихри накладываются друг на друга, самолеты подвергаются воздействию различных ветров, что приводит к разной подъемной силе и углам наклона крыльев. Такая внешняя ситуация приводит к рывкам и вибрациям — так называемому «бампингу».
Явление турбулентности в небе
Различают умеренную и сильную турбулентность. В первом случае аномалии, изменения высоты и тангажа незначительны, и пилоты не испытывают трудностей в управлении самолетом.
Тяжелое столкновение — более серьезное состояние, заключающееся в частых кренах и тангажах, сопровождающееся ухудшением способности к управлению и стабильности полета, а также искажением показаний бортовых приборов. Такое явление, если не принять должных мер, может привести к возникновению напряжений в компонентах и подсистемах, вызывая значительные повреждения и деформацию оборудования и нарушение воздушного пространства для экипажа и пассажиров.
Попадая в турбулентность, пассажиры часто беспокоятся о способности пилота справиться с ситуацией. Однако квалификация и навыки пилота могут быть полезны только при очень сильной турбулентности. В других случаях зона турбулентности практически не влияет на полет — ее контролирует автопилот.
Что такое зоны турбулентности? Как правило, это зона, где существует 100% вероятность длительной турбулентности.
Сегодня почти каждый пассажир может сказать, когда и где на корабле во время полета возникнет турбулентность. Это стало возможным благодаря созданию карт турбулентности, где более светлые цвета обозначают более спокойные районы и наоборот. Онлайн-карта турбулентности призвана уменьшить стресс для пассажиров и членов экипажа, позволяя им прогнозировать и готовиться к турбулентности в самолете.
Опасна ли турбулентность для самолета? Безусловно, это тревожное и пугающее явление, которого по возможности следует избегать. В целом, атмосферная нестабильность не опасна для самого самолета, так как он рассчитан на перегрузки. В 30% случаев наиболее распространенной причиной травм является неспособность бортпроводников вовремя пристегнуться.
Размер самолета играет не последнюю роль в ощущении турбулентности. Чем больше самолет, тем менее он комфортен. Рано или поздно все задаются вопросом: где в самолете наименьшая турбулентность? При выборе сиденья следует ориентироваться на интенсивность тряски в салоне: Сильнее всего он проявляется в области хвоста.
Причины турбулентности
Можно выделить следующие причины турбулентности:
- термоконвекция (вследствие неравномерности прогрева поверхности или при смешении холодного и теплого воздуха при значительных вертикальных изменениях температуры);
- вследствие трения движущихся воздушных потоков о шероховатый рельеф;
- вследствие неоднородности характера воздушных потоков в направлении и скорости, волновых движений на инверсионных и изотермических слоях (имеются чередующиеся нисходящие и восходящие потоки).
Примером тепловой конвекции является образование кучевых облаков.
Перед каждым полетом экипаж и пилот знакомятся с предстоящими метеосводками, чтобы выбрать наиболее безопасный маршрут. Особое внимание следует обратить на наличие кучевых облаков.
Кучево-дождевые облака — это плотные атмосферные образования, которые обычно возникают поодиночке и имеют минимальную высоту до 1200 метров и длину до нескольких сотен метров. Они образованы сильными вертикальными течениями и имеют внутренние восходящие потоки со скоростью до 10-15 м/с.
С точки зрения безопасности полетов, запрещается летать в такие облака или под ними. Кучево-дождевые облака особенно опасны, поскольку они вызывают обильные осадки и электрические разряды из-за содержащихся в них частиц воды. Поэтому рекомендуется прокладывать маршрут в пределах 10 км от грозовых облаков и на высоте более 1 км над ними. Полет осложняется не только сильной турбулентностью самолета, вызывающей завихрения, но и плохой видимостью — до 45 метров.
Области перекрывающихся восходящих и нисходящих потоков могут простираться на тысячи километров. Самые крупные вспышки были зарегистрированы на восточном побережье США.
Пожалуйста, оформите это в соответствии с правилами статьи.
При больших числах Рейнольдса скорости потока слабо зависят от небольших изменений на границах. Поэтому одна и та же волна образуется от носа корабля, когда он движется с крейсерской скоростью при различных начальных скоростях. Кончик ракеты сгорает, и формируется одинаковая картина разрешения, несмотря на разные начальные скорости.
Дробный означает самоподобный (конечное число раз, а не бесконечно часто). Прямая линия имеет дробное число, равное единице. У аэроплана их два. У сферы их три. Русло реки имеет дробный размер более одного, но менее двух, если смотреть с высоты спутника. Растения имеют дробную размерность от нуля до более чем двух. Существует свойство геометрических фигур, называемое дробной размерностью. Наш мир не может быть представлен множеством линий, треугольников, квадратов, сфер и других простых форм. А дробная размерность позволяет нам быстро характеризовать геометрические твердые тела сложной формы. Например, осколок снаряда.
Нелинейная волна — это волна, обладающая нелинейными свойствами. Их амплитуды не могут складываться при столкновении. Их свойства резко меняются даже при небольших изменениях параметров. Нелинейные волны называются диффузными структурами. В них отсутствуют линейные процессы дифракции, интерференции и поляризации. Но существуют и нелинейные процессы, например, самофокусировка. В этом случае коэффициент диффузии среды, перенос энергии и импульса, а также сила трения на поверхности сильно возрастают, на порядки.
То есть, в частном случае, в трубе с абсолютно гладкими стенками со скоростью выше некоторой критической, при этом любая сплошная среда, температура которой постоянна, под действием гравитации всегда самопроизвольно образуются только нелинейные самогладкие волны, а затем турбулентность. В этом случае нет никаких возмущающих сил извне. Если, кроме того, на внутренней поверхности трубы имеется случайная возмущающая сила или впадины, то также возникнет турбулентность.
Нелинейные волны — это, в частности, вихри, торнадо, солитоны и другие нелинейные явления (например, волны в плазме — обычные и шаровые молнии), которые происходят одновременно с линейными процессами (например, акустическими волнами).
В математическом смысле турбулентность означает, что точное аналитическое решение частичных дифференциальных уравнений Навье-Стокса сохранения импульса и сохранения массы (т.е. закон Ньютона с добавлением сил вязкости и давления в среде и уравнение непрерывности или сохранения массы) и уравнения энергии выше критического числа Рейнольдса является странным аттрактором. Они представляют собой нелинейные волны и обладают фрактальными, самоподобными свойствами. Однако, поскольку волны занимают конечный объем, часть области течения стратифицирована.
При очень низких числах Рейнольдса они представляют собой хорошо знакомые линейные волны в воде с малой амплитудой. При высоких скоростях возникают нелинейные волны цунами или волны прибоя. Например, за плотиной большие волны разбиваются на более мелкие.
Из-за нелинейных волн все параметры среды (скорость, температура, давление, плотность) могут иметь хаотические колебания, которые меняются от точки к точке, а не периодически с течением времени. Они очень чувствительны к малейшим изменениям параметров среды. В турбулентном потоке мгновенные параметры среды распределены случайным образом. Это отличает турбулентные потоки от ламинарных. Но контролируя средние параметры, мы можем управлять турбулентностью. Например, изменяя диаметр трубы, мы можем управлять числом Рейнольдса, расходом топлива и скоростью заполнения ракетного бака.
В советской науке
До 1917 года в российской науке использовался термин неупорядоченный поток. В 1938 году Капица обнаружил турбулентное течение в квантовой среде — сверхтекучем гелии. В жидком гелии существует два типа звука — первый и второй, которые могут создавать волновую турбулентность на поверхности гелия.
В 1941 году А.Н. Колмогоров и А.М. Обухов разработали теорию однородной турбулентности для несжимаемых потоков при больших числах Re. Затем, в 1960-х годах, начались исследования нелинейных волн и солитонов.
В 1970-х годах Владимир Захаров в СССР изучал слабую или «волновую» турбулентность волн на поверхности воды (называемых вырожденными). Турбулентность внутри среды была названа сильной турбулентностью.
Понятие фрактала было введено математиком Бенуа Мандельбротом в 1975 году. А константа Фейгенбаума, используемая для описания фрактальной среды с детерминированным хаосом, была разработана в 1978 году. Тогда же был открыт сценарий Фейгенбаума (или субгармонический каскад) — особый вид перехода к турбулентности.
Физики не понимали, почему при хаотическом броуновском движении в жидкости или газе миллиарды молекул внезапно объединяются в кольцо. В начале 1980-х годов Ю.Л. Климонтович, профессор Московского государственного университета имени М.В. Ломоносова, выдвинул гипотезу15, что турбулентность — это не хаотическое, а высокоорганизованное, упорядоченное течение. И эта энтропия уменьшается, когда мы переходим от ламинарного к турбулентному потоку. Поэтому спонтанно образуются различные структуры. Он предложил свой критерий, основанный на «S-теореме», которая позволяла вычислить степень упорядоченности непрерывной среды по величине производства энтропии. Он не знал о сценариях Фейгенбаума и других типах сценариев в реальных турбулентных средах и считал, что непрерывная модель недостаточна для возникновения турбулентности и что в уравнении Навье-Стокса нет турбулентности. Поэтому он ввел в уравнения некоторые искусственные дополнительные члены дисперсии даже для простых движений воды, что было неправильно15. Аналогично О. Рейнольдс ввел дополнительные члены в уравнения для сохранения импульса или движения.
Его «S-теорема» была очень плохо сформулирована для экспериментаторов, и было неясно, как применять ее к экспериментам или чем она лучше концепции K-энтропии11,15. Это противоречило давней практике инженеров. Они часто использовали подход, при котором энтропия была постоянной для потока (модель изоэнтропийного газа).
Инженеры и ученые часто используют жаргон для описания отдельных явлений турбулентности, не понимая их природы; они не имеют строгого физического смысла.
Пульсации — так называют негармонические, хаотические колебания высокой частоты, которые не могут быть описаны простой функцией sin(x,y,z,t), связанной со средним значением; этот термин используется при обработке графиков, поступающих от датчиков или приемников давления, от лазерного доплеровского анемометра или от петлевого осциллографа.
Молекула — это маленькая нелинейная волна сгораемой смеси топлива и воздуха; она заполняет определенный объем камеры сгорания; термин иногда используется в теории горения.
Торсионное движение, или просто кручение, иногда называют кручением.
Турбулентность в природе
Животные знают, как использовать турбулентность. Они обычно подавляют его и контролируют его структуру, они умеют черпать энергию из встречного течения (или ждать попутного ветра). Например, у некоторых из них очень мягкая кожа. Форма поверхности тела такова, что его кривизна является гладкой функцией. Это означает, что ваше изображение в зеркале, имеющем форму тела дельфина, будет меняться равномерно по большей части поверхности без каких-либо изгибов. Область, где кривизна разрывается, минимальна. Они используют слизь на своей коже или свои перья и волосы, чтобы разбивать поверхностные волны, на что расходуется много энергии за счет биения крыльев или движения хвоста. Кончик крыла или плавника всегда заострен, поэтому размер волны, образующейся на конце, минимален. У китов вдоль тела от рта идут желобки, которые создают особый рисунок турбулентного потока.
Мухи (из-за волосков на теле), бабочки (под микроскопом можно увидеть системы в их крыльях, похожие на чешуйки) и птицы используют машущий полет. В полете они создают торнадо, что позволяет им развивать во много раз большую подъемную силу, чем планер того же веса, и развивать большую скорость с меньшими затратами энергии.
Турбулентность – это не страшно?
Главный миф о том, что турбулентность опасна, можно развенчать одним предложением. С тех пор как явление турбулентности появилось в авиации, не было ни одной аварии со смертельным исходом. Современные самолеты спроектированы таким образом, чтобы выдерживать такие нагрузки. ⠀
В верхних слоях атмосферы иногда возникает сильная турбулентность, которая может заметно трясти самолет. По этой причине во время турбулентности пилоты включают знаки «Пристегните ремни» и просят пассажиров занять свои места. ⠀
В случае сильной турбулентности не паникуйте и выполняйте все указания капитана и бортпроводников. Ситуация, конечно, не из приятных, но бояться ее не стоит.
Самое худшее, что может случиться, это то, что ручная кладь вашего соседа, которая не помещается в багажном отделении, упадет вам на голову и не будет закреплена. Однако это зависит от типа багажа, который был на борту у вашего соседа. Или вы можете «вбежать» в кабину и пораниться.
Турбулентности нельзя полностью избежать, это факт. Но если вы осознаете это явление, вы успокоитесь и найдете в себе мужество летать.
Факты про турбулентность
Пересечение горных хребтов всегда приводит к сильным колебаниям газовых масс. Возможно, вы не знаете, что явление турбулентности существует не только в воздухе. Он применяется ко всем газам и жидкостям.
Видели ли вы птиц, пролетающих сквозь облака? Именно они ловят течение своими крыльями, как серферы ловят волну, и «катаются» по небу. Они могут маневрировать вверх и вниз, ускоряться и замедляться.
А рыбы, следуя простым законам физики, могут легко увеличить свою скорость, лавируя между водоворотами моря с помощью хвостов и плавников.
Сколько авиакатастроф случилось из-за турбулентности?
За 120-летнюю историю авиации не было ни одной авиакатастрофы, вызванной турбулентностью. Однако 30% людей, страдающих от страха перед полетами, считают его основной причиной несчастных случаев.
Предсказать возникновение турбулентности в небе не всегда реально. Существует термин «турбулентность чистого неба». На относительно небольших высотах 5-8 км эта турбулентность не может быть обнаружена радаром.
Поэтому может случиться так, что самолет внезапно начнет раскачиваться. Вся надежда здесь возлагается на мастерство пилота. Большую часть времени во время полета автопилот управляет самолетом. При сильной турбулентности любой опытный пилот выведет самолет из зоны, взяв управление на себя.
Есть ли в самолете безопасные места и так ли опасна турбулентность
Многие из нас испытывают сильный страх перед полетами, и перед очередным рейсом мы думаем обо всех возможных несчастных случаях, которые обязательно с нами произойдут. Некоторые ощущают турбулентность во время полета и мысленно прощаются с жизнью, думая, что именно по этой причине самолет должен упасть или даже развалиться на части. Другие же стараются найти и купить билет с самым безопасным местом в салоне, чтобы увеличить свои шансы на выживание в случае авиакатастрофы. Но действительно ли турбулентность так опасна и есть ли в салоне самолета безопасные места? Именно на эти вопросы мы попытаемся ответить сегодня. Так что давайте начнем!
Что такое турбулентность и чем она опасна
Известно, что самолет во время полета скользит в воздухе, как будто его несут крылья. Высокое давление воздуха снизу толкает крыло вверх, а низкое давление сверху тянет крыло вверх. В результате крыло приподнимается, и самолет удерживается в воздухе. На практике большая часть полета проходит относительно спокойно, но иногда самолет может столкнуться с периодическими течениями или, проще говоря, оказаться в зоне завихрений воздуха. В результате пассажиры в салоне ощущают толчки или дрожь различной интенсивности, и многие находят ситуацию очень тревожной. Турбулентность на самом деле является нормальным явлением в авиации и может быть сравнена с неровностью на море или обычной ездой по ухабистой дороге.
Существует три типа турбулентности:
- Легкая — это практически неощутимая турбулентность в самолете, которую мы иногда испытываем при перелете;
- Умеренная — при такой турбулентности нужно находиться на своем посадочном месте, поскольку устоять на плоской поверхности и не упасть достаточно трудно;
- Сильная — крайне редкая турбулентность, при которой вы будете чувствовать себя приклеенным к вашему креслу.
В большинстве случаев при возникновении турбулентности вам не придется опасаться за свою жизнь. В большинстве случаев вам не нужно беспокоиться о риске аварии. Однако бывают и исключения, поэтому авиакатастрофы из-за турбулентности случаются, но очень редко. Например, одна из самых известных аварий, вызванных необычно сильной турбулентностью, произошла около полувека назад, когда Boeing 707 разбился в турбулентности при ясном небе. Это одно из самых неприятных событий турбулентности, которое может произойти. Он возникает неожиданно при ясном небе и не сопровождается плотной облачностью, как обычно. Boeing 707, руливший на гору Фуса, неожиданно попал в сильную турбулентность с двумя совершенно разными по скорости, температуре, направлению и плотности ветрами, что привело к разрушению самолета и гибели всех пассажиров. Поэтому на вопрос о том, опасна ли сильная турбулентность или нет, можно ответить скорее отрицательно. Конечно, пассажирам не стоит беспокоиться об умеренной или легкой турбулентности, но шторм, сильный ветер и мороз представляют большую опасность для самолета. Самолеты редко сталкиваются с очень сильной турбулентностью, и в большинстве случаев все заканчивается благополучно.
На самом деле, именно пассажиры подвергаются наибольшему риску от последствий турбулентности, поскольку она часто приводит к различным травмам и даже переломам конечностей. В большинстве случаев пассажиры, которые игнорируют сигнал ремня безопасности и остаются сидеть, получают повреждения. Помните, что при сильной турбулентности следует всегда следовать указаниям экипажа и оставаться на месте, пристегнутым ремнем безопасности, чтобы после полета не оказаться на больничной койке.
Есть ли в самолете безопасные места
Известно, что места в передней части самолета, хотя и более дорогие, разваливаются первыми. Считается, что в этой зоне установлены более удобные сиденья, которые могут обеспечить дополнительный комфорт для пассажиров. Однако пассажиры, выбравшие место в задней части самолета, могут быть уверены, что они будут оптимально защищены. У них есть свои недостатки — сиденья не очень удобные, а в последнем ряду сиденья вообще не регулируются. Поэтому если вам предстоит долгий перелет, у вас могут возникнуть проблемы со спиной.
Почему самые дешевые места в самолете считаются самыми безопасными? Причина в том, что при падении самолета эти сиденья испытывают лишь минимальную нагрузку. Общеизвестно, что нос самолета почти всегда падает гораздо быстрее. По этой причине больше всего страдает нос. Пассажиры, чьи места находятся непосредственно за кабиной, а значит, и пилоты, подвергаются большему риску. Пассажиры, чьи места находятся в хвостовой части, имеют самый высокий процент выживания — эта зона начинается за кончиком крыла. Поэтому «черный ящик» обычно располагается в задней части самолета. Пассажиры в зоне перед крылом и над крылом имеют практически одинаковые шансы на выживание.
Задние сиденья повышают шансы на выживание, если самолет находится на небольшой высоте, например, если авария произошла во время взлета или небезопасной посадки. Однако если катастрофа произошла на высоте 8 000-10 000 км, то не имеет значения, где в самолете находится ваше место, так как выжить в такой ситуации практически невозможно. Однако в истории было много случаев, когда некоторые пассажиры выживали даже в самых страшных авиакатастрофах.
Каждая чрезвычайная ситуация уникальна. Все может случиться. Поэтому не игнорируйте указания экипажа, а пристегните себя значком, чтобы зафиксировать свое тело в правильном положении. Помните, что если вы уронили кислородную маску, вы должны немедленно надеть ее сначала на себя, а затем на ребенка. В экстремальной ситуации необходимо как следует закутаться, это очень важно. Потому что пассажиры, которые быстро и правильно группируются в чрезвычайной ситуации, всегда находятся в более выгодном положении.
Моделирование турбулентности
Существует три основных подхода к математическому описанию турбулентного потока:
- Direct Numerical Simulation (DNS) – прямое численное моделирование ; В рамках этого подхода расчёт турбулентных течений происходит путем прямого решения a href=»https://ru.wikipedia.org/wiki/Уравнения_Навье_—_Стокса» target=»_lank» rel=»>уравнений Навье-Сток»а. Для моделирования используются трехмерные нестационарные уравнения, независимо от характера течения. Данный подход требует достаточно точного разрешения расчетной сеткой всех областей, в которых происходит вихреобразование, поэтому его применение ограничивается производительностью вычислительной техники. Шаг сетки в этом случае должен быть порядка Колмогоровского масштаба.
Понятие Колмогоровского масштаба
Согласно гипотезе Колмогорова, можно оценить нижний предел для размера структур, участвующих в рассеивании энергии. Масштаб hĸШкала Колмогорова характеризует линейные размеры структур, на которые еще существенно влияет вязкость.
где n — кинематическая вязкость, а e — диссипация энергии.
- Large Eddy Simulation (LES) – моделирование крупных вихрей; Этот подход занимает промежуточное положение между DNS и RANS подходами. В нем применяется фильтрация характеристик турбулентного течения от коротковолновых неоднородностей – то есть решаются осредненные уравнения Навье-Стокса (как и в RANS ), но осреднение происходит по областям с размерами порядка размера фильтра. После проведения процедуры фильтрации, формируется система осредненных уравнений Навье-Стокса, применимая к областям с размерами больше фильтра. Осредненные уравнения замыкаются при помощи «подсеточной» модели турбулентности. При расчёте турбулентного течения с помощью LES подходов вихревые структуры с размерами, превышающими размеры фильтра (расчетной сетки), разрешаются точно, а меньшие вихревые структуры моделируются.
- Reynolds Averaged Navier-Stokes (RANS) – подходы, основанные на осреднении уравнений Навье-Стокса по числу Рейнольдса. Чтобы учесть потерю энергии на вихри, которые не разрешены расчетной сеткой, вводят понятие осредненной скорости (подробнее это описано ниже). При осреднении уравнений возникает новая неизвестная – Рейнольдсово напряжение, из-за которой нельзя решить уравнение Навье-Стокса совместно с уравнением неразрывности. Поэтому для замыкания системы уравнений (для определения Рейнольдсового напряжения) дополнительно вводятся модели турбулентности.
Модель турбулентности — это математическая модель, которая с определенной точностью описывает поведение потока. В подходах RANS модель турбулентности — это набор дополнительных уравнений, предназначенных для замыкания системы уравнений Навье-Стокса в соответствии со средним значением Рейнольдса.
Модели турбулентности различаются по константам, которые включены в эти модели, и по определению турбулентной вязкости. Константы в основном эмпирические и подбираются под конкретную задачу. Модели турбулентности могут содержать от одного до многих уравнений замыкания, и чем больше уравнений, тем больше требуется вычислительных ресурсов.
При подходе RANS средний поток может быть определен и описан только при наличии пульсаций скорости вокруг определенного среднего значения. Этот подход дает хорошие результаты при использовании крупной сетки. С помощью подхода LES можно разрешить вихри, которые влияют на структуру потока. Результаты будут более точными, но потребуется большее количество вычислительных ячеек и меньший шаг по времени. Чтобы решить все вихри и импульс, необходимо решить задачу напрямую (DNS): Создайте мелкую сетку с размером в несколько ячеек на вихрь. Шаг по времени должен быть выбран в каждом случае так, чтобы период вращения вихря также решался во времени за несколько шагов. Этот подход является чрезвычайно ресурсоемким и редко используется в технических расчетах.
Основные понятия
Диссипация энергии
Перенос энергии в турбулентном потоке происходит ступенчато: Энергия течет от среднего потока к более крупным вихрям, а затем последовательно передается все более мелким вихревым структурам. Наконец, она достигает чрезвычайно тонких вихрей (с колмогоровскими масштабами), которые высвобождают кинетическую энергию и передают ее тепловому состоянию.
Передача энергии шторма в потоке
Пульсации
Переход от ламинарного к турбулентному потоку характеризуется образованием вихрей. Хаотическое движение частиц, участвующих в турбулентном перемешивании, приводит к пульсациям их скорости. Поэтому при использовании RANS-подхода для моделирования турбулентности проекции скорости можно разделить на среднюю составляющую и дополнительную составляющую импульса:
Импульсивное движение частиц, в свою очередь, является источником импульсов давления, температуры и плотности. Мерой интенсивности импульса является степень турбулентности потока.
Перенос импульса через вихри рассчитывается по дополнительной турбулентной вязкости. Если подставить средние скорости в уравнение Навье-Стокса и преобразовать его, то для некоторых членов получается значение ноль, но сохраняется произведение среднего и произведение компонент импульса. Произведение компонентов импульса представляет собой новое неизвестное — напряжение Рейнольдса, из-за которого уравнение Навье-Стокса не может быть решено вместе с уравнением неразрывности. Поэтому система уравнений должна быть короткозамкнутой.
Для этого была введена гипотеза Businessche: Напряжение Рейнольдса связано с вязкостью так же, как и напряжения трения, т.е. как вид вязкости, умноженной на напряжение потока. Поэтому появляется новая переменная, турбулентная вязкость, которая учитывает дополнительный интегрирующий эффект вихрей, хотя они не разрешаются сеткой.
кинетическая энергия турбулентности
Понятие турбулентной кинетической энергии ( k ) было введено Прандтлем и по существу является удельной кинетической энергией вихрей в турбулентном потоке или среднеквадратичным скоростным импульсом.
Прандтль установил, что импульс вдоль оси y в потоке, переходящем в турбулентные слои с вихрями, такой же, как и вдоль оси x. Вихрь может изменять градиент скорости и пропорционален размеру турбулентности. В качестве меры турбулентности было предложено взять длину пути смешения вихрей.
Что происходит в небе?
В воздухе постоянно происходит множество различных процессов — различные воздушные течения и струйные потоки движутся со скоростью, которая иногда может достигать 300 км/ч и более. Создаются зоны с разным атмосферным давлением. Воздушные массы меняются, и формируются погодные фронты — от холодных до теплых и смешанных.
Каждый день в атмосфере происходят изменения температуры и давления. Обычно оба показателя должны уменьшаться с увеличением высоты, но может быть и обратное. Сила и направление ветра также постоянно меняются. Иногда можно увидеть облака, движущиеся в противоположных направлениях на разных высотах.
В целом, это делает атмосферу либо стабильной, либо нестабильной, создавая условия для различных погодных явлений, включая турбулентность.
Фото: ©Алина Архипова / Так мы видим на метеорадаре, где можно летать, а где опасные зоны. Принцип похож на светофор: зеленый — все в порядке, можно лететь; желтый — будьте осторожны, может случиться все, что угодно, включая турбулентность; красный — держитесь подальше, это опасно! Есть еще один цвет, пурпурный — пурпурно-фиолетовый, который очень опасен! Но я видел это очень редко.
Иногда пилоты знают о возможной турбулентности на своем маршруте из метеорологических карт и метеосводок, которые они проверяют перед каждым полетом. Если во время полета возникает турбулентность, не отображенная на картах, пилоты сообщают об этом авиадиспетчеру, который, в свою очередь, предупреждает другие самолеты, входящие в этот сектор.
Причины «болтанки»
1) Красивые пушистые облака, кучевые и особенно кучево-дождевые облака являются турбулентными из-за восходящих и нисходящих потоков, которые в них образуются. Во время грозы воздух наполняется грозовыми облаками CB.
Но не все облака турбулентны. В отличие от пушистых, красивых облаков, которые могут кружиться, низкие слои сплошных облаков обычно спокойны.
Фото: ©Алина Архипова/ На заднем плане — турбулентные облака, которых пилоты всегда избегают. Эти облака имеют восходящие и нисходящие потоки, поэтому в них будет много турбулентности.
2) Но турбулентность не всегда вызывается только облаками. Существует также турбулентность ясного воздуха (Clear Air Turbulence, CAT), когда в воздухе нет ни единого облачка, солнечно и красиво, но атмосфера нестабильна, и самолет внезапно начинает трясти.
3) Турбулентность также характерна для горных районов, и чем ближе к горам, тем интенсивнее турбулентность.
4) В теплое время года существуют также тепловые потоки (восходящие потоки), вызванные потеплением земной поверхности. Поэтому жаркой весной и летом, даже в хорошую, ясную погоду, самолет может сильно «дребезжать» при посадке, особенно если он летит над другой поверхностью (так как она по-разному прогревается). Например, когда лесистая местность превращается в поле или долину, или при полете над береговой линией от моря к суше.
5) Искусственная турбулентность — возникает, когда самолет случайно попадает в разрушающуюся струю перед летящим или взлетающим самолетом. Это очень опасно. Поэтому авиадиспетчеры должны следить за тем, чтобы пилоты соблюдали определенное расстояние между панелями воздушных судов как во время взлета и посадки, так и на других этапах полета.
Тем не менее, иногда происходят несчастные случаи, например, когда ветер ловит вакуумную струю пролетающего самолета или дует прямо на следующий самолет. В такой ситуации самолет может дрейфовать из стороны в сторону, пока не произойдет автоматическая остановка, и вам придется реагировать очень быстро.
Я был там несколько раз, и это был не очень приятный опыт. Но пилоты должны быть готовы к таким неожиданностям, чтобы знать, как реагировать.
Фото: ©Алина Архипова
6) Также, например, наш Боинг может вихлять при полете с развернутыми спойлерами (интерцепторами), если есть острая необходимость быстро снизиться или уменьшить скорость. Спойлеры — это пластины на верхней части крыла, которые при выпуске перемещаются вертикально вверх.
Другими словами, существует множество физических причин, которые вызывают колебания самолета в полете.
Насколько опасна турбулентность?
В авиации турбулентность делится на три категории в зависимости от ее интенсивности:
- Слабая — может доставлять немного дискомфорта от того, что всё время потряхивает, но она абсолютно не нарушает обычное течение полёта.
- Средняя — более дискомфортная — не даёт спокойно поесть, стакан может слегка уехать или даже расплескаться. К тому же ходить по салону становится трудно: можно обо что-нибудь удариться, набить себе шишку или даже получить вывих. Точно также, как в автобусе при резких торможения или поворотах. Чтобы случайно никто не пострадал, капитан включает сигнал «Пристегнуть ремни». При средней турбулентности мы также попросим сесть на места и бортпроводников.
- Сильная – единственная категория турбулентности, которую можно считать опасной, так как есть вероятность временной потери управления.
Но позвольте мне сказать в самом начале, что мы следим за тем, чтобы самолет никогда не входил в зону сильной турбулентности. Сильная турбулентность не возникает сама по себе. В большинстве случаев он возникает в районе гроз и большого скопления грозовых облаков. И это можно предсказать, изучая карты погоды и наблюдая за радаром. Пилоты всегда избегают таких зон, если это возможно. А если это невозможно, они перенаправляются в другие аэропорты. И существуют ограничения, позволяющие избегать опасных зон, как сбоку, так и сверху.
