turbulens

Turbulens, kaotisk bevægelse i væske eller gas, i hvilken strømningshastigheden fra sted til sted og hele tiden ændrer retning og størrelse. I modsætning hertil karakteriseres laminar (lagdelt) strømning ved koordinerede ændringer af strømningshastigheden mellem nærliggende steder og tidspunkter.

Næsten alle de væskestrømningsfænomener, der kendes fra hverdagen, er turbulente, fx vandets strømning omkring en skibsskrue eller omkring benene på et svømmende menneske. Når lægen bestemmer det diastoliske blodtryk, lytter han i sit stetoskop efter ophør af turbulens i den klemte arterie. Den hvislende lyd, som høres fra det strømmende vand i et vandrør og fra mundingen af en vandhane, skyldes også turbulens.

Atmosfærens nederste lag er stærkt turbulente pga. vindens vekselvirkning med overfladestrukturer som fx bakker, bygninger og træer. Desuden er termisk konvektion medvirkende til at fremkalde turbulens. Om dagen skaber Solens opvarmning af jordoverfladen en termisk ustabil tilstand, hvor lokale bobler af opvarmet luft frigøres og stiger til vejrs som balloner. Om natten afkøles overfladen derimod hurtigt, hvis himlen er skyfri, og atmosfæren bliver termisk stabil med langt mindre turbulens. Atmosfærisk turbulens belaster såvel flyvemaskiner som passagerer, især under start og landing. I atmosfærens højere lag møder moderne fly en særlig ubehagelig type turbulens (clear air turbulence), pga. de store hastighedsgradienter i overgangsområdet mellem jetstrømmen og den øvrige atmosfære.

Turbulens skyldes et samspil mellem en væskes eller luftarts (et fluids) inerti, som tenderer mod at fortsætte en igangværende strømning, og fluidets viskositet, der virker som en bremse på strømningen. Turbulens opstår oftest i grænselaget til faste overflader. Her skal den relative strømningshastighed være nul, hvilket får fluidet til at "rulle" hen over overfladen og derved danne hvirvler. Turbulens kan også fremkaldes af hastighedsforskelle i selve fluidet, fx af en vandslange, der sender vand under tryk ud i et ellers stillestående bassin.

Strømning karakteriseres ofte ved et enkelt dimensionsløst tal, Reynolds-tallet. Normalt vil strømning være laminar for små værdier af Reynolds-tallet og turbulent for store. Overgangen mellem laminar og turbulent strømning er meget afhængig af strømningens geometri og af de afgrænsende fladers beskaffenhed. I et vandrør sætter egentlig turbulens normalt ind, når Reynolds-tallet er nogle tusinde, og turbulensen er fuldt udviklet ved et Reynolds-tal på 100.000.

Teoretisk forstås turbulens som et udslag af ikke-lineariteten i grundligningerne for den fluide mekanik, de såkaldte Navier-Stokes' ligninger. Selvom disse ligninger har været kendt i ca. 150 år, er det endnu ikke lykkedes at løse dem generelt i det turbulente tilfælde. A. Kolmogorovs statistiske teori fra 1941 betød dog et væsentligt fremskridt i forståelsen af, hvorledes strømningens bevægelsesenergi omsættes på mindre og mindre længdeskala for til sidst at ende som varme. Størstedelen af energien dissiperes i de mindste hvirvler, som tilsammen danner et fraktalt mønster i rummet. Turbulens er efter århundreders forskning stadig et aktivt forskningsområde, hvor den moderne teori for kaos og fraktaler kommer i anvendelse.