Luin varsin fysiikan ratkaisemattomia ongelmia ja silmiin sattui tämä ongelma. Turbulentin virtauksen mallintamiseen ei ole olemassa teoreettista mallia. Mielestäni ei ole kovin vaikeaa kuvitella mistä turbulenssi johtuu ja tehdä siitä malli, joka noudattaa tiettyä kaavaa.
Mielestäni turbulenssi syntyy ilmassa siksi että esimerkiksi lentokoneen siipi tiivistää ilmaa jolloin ilman tiheys muuttuu ja se ei virtaa yhtä nopeasti kuin viereinen harvempi ilma ja syntyy pyörre, koska virtausnopeus ei voi olla sama harvemmalla ja tiheämmällä ilmalla. Tiheämpään ilmaan osuessaan koneen siivet reagoivat rajummin paineen muutoksiin ja voimat tuntuvat kaikkialla koneessa.
Mielestäni turbulenssi syntyy ilmassa siksi että esimerkiksi lentokoneen siipi tiivistää ilmaa jolloin ilman tiheys muuttuu ja se ei virtaa yhtä nopeasti kuin viereinen harvempi ilma ja syntyy pyörre, koska virtausnopeus ei voi olla sama harvemmalla ja tiheämmällä ilmalla. Tiheämpään ilmaan osuessaan koneen siivet reagoivat rajummin paineen muutoksiin ja voimat tuntuvat kaikkialla koneessa.
Vastaukset 22
Vanhimmat
Jos kerran turbulenssin tapaisen kaoottisen systeemin tarkka mallintaminen on mielestäsi mahdollista, ole hyvä ja tee malli: sillä saisimme aikaan muun muassa tarkat sääennusteet ja täydellisen aero- ja hydrodynaamisten ajoneuvojen piirustukset.
Supertietokoneisiin ja tuulitunneleihin ei hukata miljardeja sen vuoksi, että niillä leikkiminen olisi kivaa.
Se on mielestäni helpompi ymmärtää sitä kautta mistä turbulenssi alkaa. Mieti kaksi erillä tiheydellä olevaa ainetta virtaamassa vierekkäin. Se muuttuu pyörteeksi ja sekoittuu muodostaen pienempiä pyörteitä aina kertautuen niin että aina kun pyörre jakautuu kahdeksi niin kahden pyörteen liikemäärä on yhteensä sama kuin edellisessä vaiheessa. Tämä jatkuu kunnes pyörteily vaimenee.
Pyörteen jakautuessa kahdeksi ne ovat myös halkaisijaltaan puolet edellisestä pyörteestä.
Gleik kertoi kirjassaan "Kaaos" fyysikosta, joka kuvitteli tapaamisensa Jumalan kanssa. Hänellä olisi kaksi kysymystä Jumalalle. Ensimäinen käsitteli jotain maailmaa syleilevää filosofista ongelmaa ja toinen oli: "Mitä on turbulenssi".
Hän uskoi Jumalan kykenevän vastaamaan ensimäiseen.
Turbulenssi ei ole pyörre. Karmanin pyörrerata taitaa vielä olla matemaattisestikin mallinnettavissa, mutta kun Reynoldsinluku nousee niin , että virtaus muuttuu aidosti turbulentiksi, ei ole kuin karkeita mallinnuksia.
Ps. En ole aero- enkä hydrodynamiikan ammattilainen. Voin olla väärässä :D
Olen opiskellut virtaustekniikkaa ja ymmärrän aiheesta. Mielestäni turbulenssi alkaa pyörteenä, mutta pyörteen jakautuessa ja erisuuntaisten pyörteiden törmäillessä siitä tulee sekamelska, jota sanotaan turbulenssiksi eikä siihen ole olemassa teoreettista mallia. Mielestäni mallin kehittäminen on mahdollista kun selvitetään turbulenssia kehittävät voimat,paineet, nopeudet, aineiden tiheydet ja viskositeetit. Mitä muita tekijöitä turbulenssiin vaikuttaa? Ainakin lentokoneen siiven ja koneen massan aiheuttama paine tiivistää ilmaa. Myöskään ilma jossa lennetään ei ole tasalaatuista, vaan siinä on kylmää ja lämmintä ilmaa sekaisin ja se vaikuttaa lento-ominaisuuksiin, koska viileä tiheämpi ilma ei aiheuta samansuuruista nostetta koneen siivessä kuin harva lämpimämpi ilma.
"Myöskään ilma jossa lennetään ei ole tasalaatuista, vaan siinä on kylmää ja lämmintä ilmaa sekaisin ja se vaikuttaa lento-ominaisuuksiin, koska viileä tiheämpi ilma ei aiheuta samansuuruista nostetta koneen siivessä kuin harva lämpimämpi ilma."
Ilman lämpötilan nopeat muutokset ovat asia, jolla on lähinnä teoreettinen merkitys. Ylhäällä ilma on sitä paitsi niin hyvin sekoittunutta, että lämpötilanmuutokset ovat pieniä. Konvenktion aiheuttamat pystyvirtaukset ovat asia erikseen. Ilmavirtausten epäsäännöllisyyden vaikutus häivyttää vakiolentokorkeudessa vaihtelevat lämpötekijät olemattomiin.
Turbulenssi on ongelmana sitä luokkaa, että sen matemaattinen mallinnus poikii nobelin palkinnon. Asia taitaa olla kinkkisempi kuin luuletkaan.
Aina löytyy joku fiksu joka ymmärtää jonkun asian paremmin kuin muut ja selittää sen muille. Juuri sitä varten tehdään tieteellistä tutkimusta. Parhaimmillaan siitä tutkimuksesta ja ymmärryksestä on hyötyä jollekin, joten aina kannattaa tarttua ongelmiin.
Lentokoneet liikkuvat nopeasti ja ajavat erilämpöisten ilmakerrosten läpi. Esimerkiksi lentäminen rakoilevan pilvikerroksen alapuolella jossa auringon lämpösäteily jakautuu epätasaisesti, luo tilanteen jossa on tiheydeltään erilaisia ilmakerroksia. Se aiheuttaa ravistuksia koneeseen, koska tiheämpi ilma aiheuttaa erilaisen paine-eron siipeen kuin harva lämmin ilma.
Turbulenssin Selittäminen tiheyseroilla ei onnistu länsimaantietäjän tavalla.
Tiheyserot on kyllä taustalla kun lämmin ilma kohoaa raskaamman ilman laskeutuessa. Siksi kone ei etene tasaisessa ilmavirtauksessa vaan seassa on pystysyyntaisia komponentteja joita kone lentäesään läpäisee.
Lisäksi tuulierot tekevät tuulesta johtuvaa puuskaisuutta lähellä pintaa ja korkealla suuremmat nopeuserot lienevät taustalla yllättävän kovistakin turbulensseista korkealla. ilman näkyvää syytä.
Tiheyseroista puheen ollen, joskun lentänyt tulipalo savun läpi, siis kuuman ilman, kone saa kunnon tällin pohjaan (siipiin) kun virtaus on kova ylöspäin. Lämmin ilma harvaa joten noste olisi kyllä vähäisempää, jos tiheysero nosteen vaikutus huomioidaan.
Pyörteestä vielä. Minusta kyse on piikkuruisista pyörteistä jotka kasvavat isommiksi edetessään siiven pinnalla, tai koneen liikkuessa ja ilma kököttää suhteellisen paikallaan.. Ei siinä pyörteet jakaannu vaan yhdistyy suuremmiksi ja kaaottisemmiksi. ja lopultaa on yhdistyviä ja jakaantuvia pyörteitä ja pienikin muutos muuttaa lopputuloksen erilaiseksi.
Kyllä turbulenssiä voidaan laskea ja mallintaa. Ne on vain hyvin lähellä todellista lopputulosta.
Lentokoneet lentää hyvin noilla laskennoilla. Mutta esim sää mallit on vaikeampia, koska lähtödataa ei ole joka paikasta. Suomessakin tehdään vain kolmesta kohtaa pystysuuntainen mittaus ilmakehän tilasta pari kertaa päivässä radioluotainpalloilla. On isoja euroopan kokoisia alueita josta ei tehdä mitään mittauksia eikä ole mitään maasemiakaan. Siksi sää on vaikea mallintaa ja se pieni tuntematon muutostekijä johtaa isoon parissa viikossa.
"Kyllä turbulenssiä voidaan laskea ja mallintaa."
Turbulenssin mallintaminen on varsin karkeaa. Matemaattista formaattia mallinnukseen ei ole.
Maailman paras (ja ainoa) suomenkielinen aerodynamiikan oppikirja Laine, Hoffren, Renko "Aerodynamiikka ja lentomekaniikka" ei käsittele lainkaan turbulenssin mallintamista. Laminaarin virtauksen irtautumiseen liittyviä tekijöitä käsitellään kyllä.
Jos turbulenssia voidaan mallintaa matemaattisesti, niin osaat varmaan kertoa, mistä sellainen malli löytyy. Fysiika kun ei tunne kuin karkeita likiarvoja.
Voisikohan selitys olla tämä? Olen tehnyt empiiristä tutkimusta ja havainnut luonnossa ilmiöitä jossa pyörteinen ilmavirta kulkee aineessa esteettömämmin kuin laminaarinen virtaus. Esimerkiksi entisenä tupakoitsijana olen puhaltanut paljon savua ilmaan; kun puhaltaa sitä vaan vapaasti ulospäin niin virtaus pysähtyy nopeasti ja jää leijumaan ilmaan, mutta jos puhaltaa savurenkaan niin se etenee parikin metriä vaikka väliaine on sama. Olen myös nähnyt delfiinin leikkivän ilmakuplalla tuottaen siitä ilmarenkaan joka liikkuu vedessä yllättävän esteettömästi vaakatasoon. Veden vastus katoaa pyörteen ansiosta. Yritän kertoa tällä sitä että jos ilmaan tehdään pyörteitä niin se ilma ei ole yhtä kantavaa kuin pyörteetön ilma. Pyörteilevässä ilmassa lentokoneen siipi vajoaa kun ilmanvastus katoaa.
"Pyörteilevässä ilmassa lentokoneen siipi vajoaa kun ilmanvastus katoaa."
Muuten hyvin, mutta siiven kanto ei johdu ilmanvastuksesta. Jos laminaari virtaus irtoaa tarpeeksi suurelta alalta siiven yläpinnasta, kone sakkaa.
En puhunutkaan laminaarista vaan pyörteilevästä ilmasta. Sakkaaminen on asia erikseen. Tiedän kyllä että lentäminen perustuu paine-eroon, mutta luulen että pyörteilyn vaikutuksesta paine-eroa ei pääse syntymään ja siipi vajoaa. Mieti tuota pyörteilevän ilman vaikutusta mistä puhuin.
Normaalisti ilmakehän pyörteilevän ilman nopeuskomponentit ovat melko pieniä lentonopeuteen nähden. Siksi normaalin ilmapyörteilyn vaikutus on melko pieni. Ukkosrintamissa esiintyy voimakkaita nousevia, laskevia ja myös pyöriviä ilmavirtauksia, jotka saattavat olla vaarallisia, mutta silloin ei kai enää puhuta normaalin ilmakehän pyörteilystä.
Kokonaan toinen asia on moottoreiden aiheuttama pyörteily koneen vanavedessä. Ne pyörteet voivat olla niin voimakkaita, että ne kääntävät pienkoneen katolleen ja ne saattavat säilyä melko pitkäänkin. Siksi laskeutuvilla koneilla on pitkähkö porrastus.
Itse asiassa koneiden siivissä voidaan käyttää pyörteittimiä, joilla parannetaan sakkausominaisuuksia, mutta hintana on silloin ilmanvastuksen kasvu. Deltasiivellä saadaan enemmän nostovoimaa kuin (perinteisen) virtauksen teorian mukaan pitäisi edes saada. Tämä johtuu siiven yläpinnan etureunalle syntyvistä pyörteistä. Pyörteen alapuolen alipaine lisää nostovoimaa.
Myös suurilla kohtauskulmilla vasrinkin hävittäjäkoneen rungon etuosan synnyttämät eri aikaan irtoavat pyörteet voivat aiheuttaa epäbalanssia ja nokan nopean kääntymisen.
En ole törmännyt väittämään, että normaali ilmakehän pyörteisyys vaikuttaisi oleellisesti aerodynamiikkaan. Äärioloissa, kuten hyvin lähellä sakkausta, se on varmaan ihan mahdollista.
Olipas mielenkiintoisia asioita tai huomioita ja osin pahastikkin vääriä.
Kirjoitin kaksi kommenttia pilmailijana jaksanut kirjautua sisään.
Savurengas pyörteilee kyllä, mutta siinä onkin erikoinen ilmiä miten hyvin se kantaa ja säilyttää muotonsa ja tunkeutuu siksi kauaksi.
Lentokoneen jättöpyörteet, tulevat siivistä ei moottorista. Toki aivan koneen perässä on moottoreiden vanavedessä turpulenssia sen näkee jo koneessa istuenkin kun maisema on suttua lämpötilojen aiheuttamien tiheyserojen takia.
Asiasta kolmenteen styroksin paloja vedessä ei kanna ihmistä, mutta kun astut nopeasti uusille paloille entisten vajotessa veden alle voit liikkua palojen päällä.
Lentokone, esim airbus 380 painaa 500000 tonnia jotta se pysyy ilmassa kone painaa kulkiessaa ilmaa alaspäin, jonka vastakkaisena voimana syntyy koneeseen noste. Ykis ilmakuutio painaa noin 1,2 kiloa merenpinnalla ja lentokorkeudessa murto-osan. On selvää että niitä ilmakuutioita pitää "poleksia" paljon ja ilma liikkuu voimakkaasti alaspäin koneen mentyä, siitä on otettu se kantovoima. toinen kone osuessaan samaan ilmamassaan joka menee alaspäin etenkin jos osa koneesta onkin osassa joss ilma nousee ylöspäin. kaatuu kone voimakkaasti.
https://www.youtube.com/watch?v=dfY5ZQDzC5s
videossa esim kohdassa 2.37 kone painaa pilveä alaspäin ja vieressä ilmaan nousee täyttämään tilaa jonka ilma vajotessaan aiheuttaa. samoin 3.20 ja 5,36
Koska koneen pitää painaa valtavaa määrää ilmaa saadakseen vastavoimana tarpeeksi nostetta, kone liikkuu nopeasti. Siipi pyyhkäiseen sekunnissa, satoja tonneja ilmaa alaspäin jonka vastavoimana tulee noste.
Samaisessa videossa näkyy hyvin laippojen aiheuttamat pyörteet, josta säilyvät hyvin kuten savurenkaat konsanaan. Paine ei palaudu niissä hevillä, vaan paineen laskun aiheuttama lämpötilanlasku saa niissä olevan kosteuden tiivistymään ja pysymään näkösällä pitkään.
Turbulenssista vielä, mikä vaikeuttaa sen laskentoa:
Pyörre kasvaessaan alkaa itse hallita ympäristöään siksi sen laskeminen on vähintäänkin haastavaa. Savupiipussa vuoro pyörre alkaisi vaikuttamaan ilman liikkeisiin jo tuulenpuolella piippua, aiheuttaen voimakasta värähtelyä. On halvempaa tehdä piipun yläosaan kierre tai lätkiä piipun kulkeen kierteen omaisesti jotta piipun paksuus vaihtelee ja ei pääse suntymään koko piipun mittaista syngronissa olevaa vuoropyörrettä vaan pyörteet ovat kaaottisemmin ja erillisiä, eri tahtiin eri osassa piippua.
Turbulenssin voimakkuutta voisi mitata suomalaisyrityksen kehittämän materiaalin avulla. Materiaali on ikäänkuin kumilevyä jota puristamalla se vastustaa virran kulkua sitä enemmän mitä enemmän sitä puristaa. Materiaalin voisi jakaa neliöihin ja muodostaa niistä verkon siiven ympärille. Jokaisesta neliöstä on tietenkin oltava paikkatieto. Päällystämällä mitattava alue tällä materiaalilla saataisiin dataa turbulenssin voimakkuudesta ja käyttäytymisestä siiven pintaa vasten. Se mahdollistaisi turbulenssin kolmiulotteisen mallintamisen ja vertaamalla turbulenssin aiheuttamaa painetta kiihtyvyysantureiden antamaan tietoon voidaan päätellä mihin suuntaan siipeä tulisi kehittää että turbulenssin vaikutusta voidaan vähentää.
"osin pahastikkin vääriä."
Perustuivat nimimerkki "0uy0y0y" osalta parin aerodynamiikan professorin ja yhden dippaissin kirjaan. En usko, että virheet kovin suuria olivat.
Mielestäni nimimerkki "airfoil" kommentoi ainakin siiven kärkipyörteitä aivan oikein. Niillä on merkittävä vaikutus koneen perään syntyvään pyörteisyyteen ja ne voivat säilyä ilmassa pitkään. Myös kommentti vuoropyörteestä eli sylinterimäisen kappaleen taakse muodostuvasta von Karmanin pyörreradasta oli asiaa.
Mitä kirjoittelit pyörteittimistä siivissä, delttasiiven nosteesta ja hävittäjäkoneen nokan nose slice-ilmiöstä pitänevät mielestäni paikkaansa. Myös se pitää paikkaansa, ettei normaaleilla lentonopeuksilla *pienet* ilmakehän häiriöt mainittavasti vaikuta lentokoneen lentoon.
Turbulenssin laskettavuutta kommentoinkin jo tuolla martta00:n kommentin jälkeen suulla suuremmalla (K Enqvist). Navier-Stokesin ratkaisut kun menevät minulta yli.
...ja koneen perästä syöksyy tiheämpiä tihentymiä, jotka laajenevat ikuisesti kuopiolaisen hullun päässä.
Asiaanhan on sinänsä helppo ratkaisu. Ratkaiset vain Navier-Stokesin yhtälöt käyttäen sopivaa turbulenssimallia :) Aika moneen tapaukseen riittää melko yksinkertainen k,epsilon-malli, joskin parempiakin malleja on olemassa. Laskelmat tehdään tietenkin numeerisesti. Toisin sanoen turbulenssille on olemassa teoreettisia malleja.
Siis teoreettisia malleja, jotka ovat myös matemaattisesti ratkaistavissa?
martta00 taitaa olla oikeasti lukenut fysiikkaa. Pois se, että arvostelisin insinöörifysiikalla hänen asiantuntemustaan. Epäilen kuitenkin , että hänen kommentissaan saattoi olla koiruus haudattuna ;-). Kaikella kunnioituksella tietenkin.
Enqvist "Monimutkaisuus" s260:
"Turbulenssi on fysiikan vaikeimpia ongelmia. Nykyäänkään ei Raynoldsin koetulosta ymmärretä jäännöksettä. Navier-Stokesin yhtälöiden uskotaan kyllä kuvaavan neste ja kaasuvirtausten mekaniikkaa, mutta niiden kaikkia ratkaisuja ei tunneta. Myös turbulenssin mikroskooppinen alkuperä on hämärän peitossa..."
Mutta kuten martta00 kertoi: "...helppo ratkaisu. Ratkaiset vain Navier-Stokesin yhtälöt käyttäen sopivaa turbulenssimallia :)"
Ei muuta kuin hihat ylös ja duuniin. :D