Turbulencia

La turbulencia se refiere al estado del flujo de un fluido , líquido o gas, en el que la velocidad presente en cualquier punto de un carácter arremolinado hace vórtices cuyo tamaño, ubicación y orientación varían constantemente. Por tanto, los flujos turbulentos se caracterizan por un aspecto muy desordenado, un comportamiento difícil de predecir y la existencia de muchas escalas espaciales y temporales. Tales flujos aparecen cuando la fuente de energía cinética que pone en movimiento al fluido es relativamente intensa en comparación con las fuerzas viscosas a las que se opone el fluido para moverse. Por el contrario, el carácter de un flujo regular se denomina laminar .

El descubrimiento y estudio de la turbulencia es muy antiguo, fue descrito por ejemplo por Leonardo da Vinci quien, después de él, no progresó durante casi 400 años, antes de que el ingeniero irlandés Osborne Reynolds ampliara su obra en 1883.

Descripción

La mayor parte del tiempo, el comportamiento complejo de los flujos turbulentos se aborda estadísticamente. Por tanto, podemos considerar que el estudio de las turbulencias forma parte de la física estadística . Para reflejar el hecho de que, en un flujo, las fuerzas de inercia superan las fuerzas de viscosidad, un número de Reynolds adecuadamente elegido debe ser mayor que un cierto umbral. Este umbral varía según la aplicación.

Una propiedad presentada clásicamente de un flujo turbulento reside en un proceso llamado cascada turbulenta (o cascada de Richardson ): la división de remolinos grandes en remolinos más pequeños permite una transferencia de energía de las escalas grandes a las escalas pequeñas dada por la dimensión de Kolmogorov . Al final de esta transferencia, los remolinos más pequeños disipan la energía que han recibido de los remolinos más grandes (como las depresiones climáticas y los ciclones tropicales, por ejemplo). Para estos pequeños vórtices, de hecho, la disipación molecular ralentiza las variaciones de velocidad excesivas debido a la viscosidad del fluido considerado. Esta turbulenta cascada explica, por ejemplo, la paulatina atenuación y muerte de ciclones tropicales y depresiones meteorológicas, así como la transformación de su energía cinética en calor. Pero también explica, en menor escala, la disipación de la estela de un automóvil o un avión.

Por lo tanto, el vórtice de la calle en la imagen de abajo puede verse como la última metamorfosis del ciclón en la imagen anterior (o para el caso, el último efecto local del paso de un camión).

• Bucle de radar que muestra la llegada del huracán Katrina a Luisiana .

• Animación de un torbellino en la esquina de una calle.

• Remolino y turbulencia en un río.

Es importante señalar que sin la disipación permanente de esta cascada de Richardson, los fenómenos meteorológicos como depresiones, tornados y remolinos de polvo durarían indefinidamente y la vida humana sería totalmente diferente. El aporte de la energía solar, que es la fuente de energía de la máquina planetaria (oceánica y atmosférica), nunca se detiene, solo podría conducir a un fortalecimiento continuo de las corrientes oceánicas y atmosféricas. En la práctica, este proceso de disipación de energía (la cascada turbulenta) no es necesariamente unidireccional; sin embargo, el fenómeno del emparejamiento de vórtices (en inglés, retrodispersión ) permite la transferencia puntual de pequeñas estructuras de vórtices (que se fusionan) hacia una o más estructuras de vórtice más grandes. estructuras.

La física de las turbulencias está en auge gracias a la generalización de los instrumentos de medida (como los perfiladores ópticos de caída libre o las sondas de efecto Doppler-Fizeau para el estudio de las turbulencias en medios acuáticos), y la progresiva reducción de su coste. Desde la década de 1970, el modelado numérico de turbulencias ha permitido a los investigadores estudiar el fenómeno a pequeña escala, utilizando en particular el enfoque llamado Simulation des Grandes Structures (SGS) de la Turbulence, o Large Eddy Simulation (LES) en inglés.

Cuantificación

En el caso de un flujo incompresible, la turbulencia se puede cuantificar utilizando la herramienta estadística " desviación estándar ".

Considerando una serie de n mediciones de velocidad en un punto, la desviación estándar se puede definir mediante la siguiente fórmula:

σX: =1no∑I=1no(tuI-U¯)2{\ Displaystyle \ sigma _ {X}: = {\ sqrt {{\ frac {1} {n}} \ sum _ {i = 1} ^ {n} (u_ {i} - {\ bar {U}} ) ^ {2}}}}

tuI{\ Displaystyle u_ {i}}  siendo la velocidad en este momento noI{\ Displaystyle n_ {i}}

y    el valor medio de la velocidad U¯{\ Displaystyle {\ bar {U}}}

La turbulencia expresada en%, a menudo indicada como Tu, corresponde a:

Ttu[%]=100∗σXU¯{\ Displaystyle Tu [\%] = {\ frac {100 * \ sigma _ {X}} {\ bar {U}}}}

Efectos

En los transportes

La turbulencia aumenta el arrastre de fricción de los objetos en movimiento para números de Reynolds altos (los que gobiernan los movimientos de los objetos cotidianos: vehículos, aviones y proyectiles deportivos). Sin embargo, provocar la transición de la capa límite existente alrededor de un cuerpo del régimen laminar al régimen turbulento puede retrasar el desprendimiento de esta capa límite y, por lo tanto, disminuir el arrastre de presión del cuerpo (con un ligero aumento de arrastre de fricción, el balance restante). sin embargo en gran medida positivo). Por ejemplo, algunos trajes de baño están equipados con escamas para generar turbulencias; las concavidades presentes en la superficie de las pelotas de golf juegan el mismo papel (ver la crisis de arrastre de esferas), al igual que los turbuladores en la superficie de los aviones, también llamados generadores de vórtices . Estos dispositivos destinados a modificar el flujo de fluido que pasa alrededor del objeto (avión, proyectil, etc.) entran en la categoría de control de flujo .

En meteorología y oceanografía

Hay varios fenómenos turbulentos en la atmósfera y los océanos. Algunos están conectados a la convección durante el calentamiento de las capas inferiores de estos fluidos. Estos se vuelven menos densos que las capas superiores y se elevarán, lo que cambiará la distribución de la velocidad del fluido tanto vertical como horizontalmente.

Otros están relacionados con el deslizamiento de capas estables, pero con diferentes densidades, una encima de la otra. A esto se le llama cizallamiento . Las ondas Kelvin-Helmholtz se generan de esta manera e introducen una rotación similar a una onda que rompe en la elevación de la unión de las capas. También hay turbulencia mecánica que se produce cuando el fluido atmosférico u oceánico se ve obligado a superar un obstáculo. Esto da como resultado una onda de gravedad que puede generar turbulencias en forma de rotores . Este es un fenómeno meteorológico complejo llamado ola de montaña . Luego, los rotores se forman en la capa de sub-ondas.

Por tanto, la turbulencia explica las variaciones locales de las corrientes marinas y los vientos atmosféricos.

En el ambiente

Tienen un papel ecológico importante.

• En el agua, la turbulencia contribuye a la mezcla de capas térmicas, salinas, ácidas o más o menos oxigenadas o anóxicas , pero también a la erosión no homogénea y en consecuencia a la turbidez , resuspensión o en zonas de menor turbulencia. Depósitos diferenciados de partículas (según masa y tamaño de partícula). Muchos organismos acuáticos saben cómo utilizar la turbulencia y en particular las contracorrientes que generan localmente para moverse consumiendo menos energía.
• Frente al viento, la aspereza del paisaje y en particular la aspereza denominada "blanda" de la vegetación (a diferencia de la de rocas y edificios, por ejemplo) tiene un impacto significativo en los vientos (atenuación de la fuerza del viento en las capas bajas de la atmósfera), turbulencias e, indirectamente, en depósitos de polvo o en el aire, temperatura, evaporación, mezcla de la parte inferior de la columna de aire (desde la altura de los tubos de escape hasta la altura a la que se encuentran las plumas de se emiten chimeneas de fábricas o calderas urbanas), la regularidad del viento (importante para instalaciones de aerogeneradores o parques eólicos ), etc.

Kalnay y Cai en la revista Nature en 2003 plantearon la hipótesis de que los árboles ralentizaban significativamente el viento. De hecho, en los bosques tropicales densos, excepto durante las tormentas, los efectos del viento son casi imperceptibles desde el suelo. La mayoría de los árboles producen sus poderosos contrafuertes allí solo cuando emergen al nivel del dosel, donde luego están expuestos a un posible desarraigo por el viento.

Recientemente, volvimos a analizar los datos meteorológicos que miden los vientos en la superficie (hasta 10 metros de altura), lo que confirma una tendencia a la desaceleración en el hemisferio norte ; parece que los bosques pueden, hasta cierto punto, frenar el viento mientras que la desertificación lo exacerba. Donde el bosque ha recuperado terreno, la fuerza del viento ha disminuido (del 5 al 15%), y esto es tanto más visible cuanto más fuerte es el viento. Los vientos geostróficos (inducidos por cambios en la presión atmosférica) no han disminuido y las aeroradiosondas no muestran una tendencia de desaceleración en la altitud.

• El bocage es una estructura ecopaisajística que también modifica los efectos del viento creando microclimas que atenúan el viento, pero también choques termohigrométricos y erosión del suelo. La turbulencia generada por árboles, setos y bosques es de gran importancia para los microclimas de bocage y bosque , para la circulación aérea de pólenes, invertebrados y microorganismos aerotransportados, propágulos (por ejemplo: esporas de musgos , líquenes y otras epífitas ), pero también fitohormonas y olores aerotransportados. (aroma floral que atrae a las abejas o mariposas o huéspedes polinizadores, por ejemplo, u hormonas del estrés que atraen a otras especies). El movimiento de las hojas permite que la luz penetre más profundamente en la copa y en el suelo. El matorral, arboleda, seto o macizo forestal tendrá diferentes efectos, a veces bastante importantes para frenar el viento entre un 5 y un 15% en la capa de 10 a 20 m sobre el suelo;
• Por el contrario, en el agua, la movilidad de determinados animales acuáticos (peces, renacuajos en particular, pero también pequeños organismos como dafnias, crustáceos) son una fuente de turbulencias y microturbulencias que influyen en la mezcla de capas. Podemos hablar de microturbulencia o nanoturbulencia por los movimientos inducidos por la bacteria flagelo. El sistema nervioso de algunos peces es muy sensible a las turbulencias, lo que les permite, en particular, detectar un ataque cercano a un depredador.

En astronomia

La turbulencia atmosférica es el principal obstáculo para las observaciones astronómicas realizadas desde la Tierra. Tiene el efecto de dispersar la luz de manera fluctuante y aleatoria. Los dispositivos de óptica adaptativa permiten compensar parcialmente estas distorsiones parásitas .

La turbulencia atmosférica cambia cada milisegundo.

Otras areas

También se estudia en aeronáutica ( motores a reacción , cámaras de combustión , estelas de palas y compresores , etc.), en la industria química (eficiencia considerable del proceso de mezcla turbulenta), así como en acústica , geofísica , etc.

Notas y referencias

Notas

1. La tasa de despegues en los principales aeropuertos está determinada por la duración de la atenuación de las estelas.

Referencias

1. Joséphin Peladan , "  Los manuscritos de Leonardo da Vinci  " , sobre Gallica
2. (en) "  Perfilador óptico de caída libre  " en SEA-BIRD Scientific
3. Robert Vautard (CEA / CNRS / UVSQ), Julien Cattiaux Pascal yiou, Jean-Noel Thépaut Philippe Ciais, Tranquilidad atmosférica del hemisferio norte atribuido parcialmente al aumento anual de la rugosidad de la superficie ; Nature Geoscience , en línea: 17 de octubre de 210 ( resumen en inglés, gráficos )
4. Gruber, C. y Haimberger, L. Sobre la homogeneidad de las series temporales de viento de radiosondas. Meteorologische Zeitschrift, 17, 631-643 (2008).

Ver también

Artículos relacionados

• Dimensión de Kolmogorov
• La capa límite
• Separación de la capa límite
• Flujo laminar
• Convección atmosférica
• Transición laminar-turbulenta
• Puesto (aerodinámico)
• Área de vuelo
• Estela turbulenta

Enlace externo

• "  Ondas y turbulencia: uso de la representación de ondículas para el estudio de la turbulencia  " , LMD-CNRS