Turbulentlik – suyuqlik va gaz oqimidagi hodisa bo‘lib, unda bosim va tezlik tez-tez va tartibsiz o‘zgaradie. Laminar oqim esa qatlamlar tekis ravishda harakat qiladi va ular orasida chiziqlilik buzilmaydi. Kundalik hayotimizda turbulensiya keng tarqalgan: dengiz to‘lqinlari, tez oqayotgan daryolar, dovul bulutlari yoki fabrika dudburlari kabi hodisalarda turli oʻlchamdagi buralmalar va girdikullar (вихри) paydo bo‘ladi. Turbulent oqimda buralmalar va girdikullar oqimni oldindan aytib boʻlmaydigan holga keltiradi.
Muayyan sharoitlarda turbulensiya oddiy suyuqlik va gazlarda, ko‘p fazali oqimlarda, suyuq kristallarda, kvant Bose va Fermi suyuqliklarida, magnit suyuqliklarida, plazmada hamda har qanday uzluksiz muhitda (masalan, qum, tuproq, metallarda) kuzatilishi mumkin. Shuningdek, turbulensiya yulduz portlashlarida, juda sovuq supero‘tkir heliyda, neytron yulduzlarida, inson o‘pkasida va yurakdagi qon harakatida ham uchraydi. Masalan, sun’iy yo‘ldosh rasmidan ham ko‘rinib turibdiki, Yer atmosferasining qalinligi sayyoraning radiusidan ancha kichik; shuning uchun atmosfera ikki oʻlchovli tizim hisoblanadi va ko‘pgina ob-havo hodisalari (siklonlar, to‘fonlar kabi) asosida ikki oʻlchovli turbulent vortekslarga aylanadi.
Turbulent oqimga o‘tish odatda Reynold sonining (Re) ma’lum kritik qiymatidan oshishi bilan tavsiflanadi. Re soni kichik bo‘lsa, suyuqlik laminarka kabi harakat qiladi; Re kattalashganda, inertial kuchlar dominant bo‘lib, oqimda kaotik buralmalar va girdikullar paydo bo‘ladi. Masalan, diametri 30 sm li trubadan suv oqayotganida Re soni taxminan 2000 dan oshsa, oqim bir tekis laminarka bo‘lganidan birdan tartibsiz turbulentlikkacha o‘tadi. Turbulensiyaning boshlanish nuqtasi sifatida kelajakda bosim va tezlikning laminar rejimidan nosimmetrik zo‘riqlikka o‘tishi kuzatiladi; bu bosqichda oqim parametrlari—tezlik, bosim, zichlik—o‘rtacha qiymatlar atrofida tasodifiy fluktuatsiyalar bilan tebranadi.
Turbulentlik turlari
Ikki oʻlchovli turbulensiya. Juda ingichka qatlamlarda yoki suyuqlik va gaz qatlamlarida ikkita oʻlchovli turbulensiya yuzaga keladi. Misol uchun, Yer atmosferasi qalinligi sayyoraning radiusiga nisbatan juda kichik boʻlgani uchun atmosfera deyarli ikki oʻlchovli tizim hisoblanadi; shuning uchun ko‘p yirik ob-havo hodisalari (siklonlar, yongan tog‘ to‘foni kabi) ikki oʻlchovli vortekslarga o‘xshaydi.
Optik turbulensiya. Yoritiladigan manba va kuzatuvchilar o‘rtasida havo kattaroq harorat gradyentiga ega boʻlgan qatlamlar mavjud boʻlganda atmosfera “tartibsiz” porlashadi. Masalan, yulduzlar osmonida tun bo‘yi chaqnab turishi havo zichligi tasodifiy oʻzgarishi tufayli ko‘rinadigan kichik oʻlchamli atmosferik turbulensiya alomati sanaladi. Havo haroratining mayda tebranishlari va shamol graduslari bularning sababchisi boʻlib, atmosfera sichqon kamonidir (refraktiv indeksi) tebranishga uchraydi.
Daryo turbulensiyasi. Eshak daryosi yoki keng va tez oqayotgan daryolar kabi tabiiy suv oqimlarida suyuqlik oqishi ko‘pincha turbulensiyali bo‘ladi. Masalan, |Re| oshishi va oqim hajmi o‘zgarishi natijasida daryo toshqinlari usti va pastidagi oqim koʻrinishi ham oʻzgaradi; nisbatan yassi daryo tublarida pulsatsiyalar paydo boʻladi.
Nematika (suyuqlik kristallari) turbulensiyasi. Viskozligi yo‘qligiga yaqin bo‘lgan, oddiy aylanishsiz nematik suyuqlik kristallarida ayni tarkibda o‘z ichida mos ravishda “sekin” turbulensiya kuzatiladi; bunda tasodifiy mikromezonik harakatlar paydo boʻladi.
Kimyoviy turbulensiya. Tegishli sharoitda ba’zi kimyoviy jarayonlar (masalan, ba’zi turdagi yonish reaksiyalari) ham turbulent oqim xususiyatlariga ega bo‘lishi mumkin.
Kvark-gluon plazmasi. Dastlabki kainot bosqichlarida mavjud boʻlgan kvark-gluon plazmasida yoki juda yuqori energiyali to‘qnashuvlarda ham turbulensiya vakillari paydo boʻlganligi taxmin qilinadi.
Nazariya
Turbulent oqimlarni nazariy jihatdan tasvirlash uchun turli metodlar qo‘llanadi. Eng ko‘p qo‘llaniladigan – statistik yondoshuv: bu boʻyicha turbulensiya turli oʻlchamdagi buralmalar (vortekslar) to‘plamining tasodifiy o‘zgaruvchisi sifatida qaraladi. Boshqa usul – spektral tahlil, bu statistik metodni to‘ldirib, oqimdagi energiya taqsimotini tahlil qiladi.
Nazariyada suyuqlikning harakat tenglamalari (Navye–Stoks tenglamalari) laminar va turbulensiya holatlarini teng ta’riflaydi, biroq ularning umumiy analitik yechimi hali topilmagan. Tenglamalar bo‘yicha real turbulensiya maydonining to‘liq tasvirini olish qiyinligi sababli muhandislikda RANS, LES, DES, DNS kabi modellar ishlatiladi. Masalan, Reynoldss tenglamalari asymptotik tortim kuchlari va massasozlanishga bog‘liq bo‘lgani uchun, oqimning kattalik va kichikligi oʻrtasidagi energiya uzatish jarayoni (energiya kaskadi) Kolmogorov nazariyasida tasvirlangan. Turbulent oqimda eng katta o‘lchamli girdikullardan olingan kinetik energiya bir qator kichikroq vortekslarga tarqalib, nihoyat molekulyar viskozite yordamida issiqlikka aylanadi. Bu jarayonning eng kichik oʻlchami Kolmogorov uzunlik masshtabi deb ataladi; u faqat energiya tarqalish sur’ati va suyuqlikning kinmatik viskozitesiga bog‘liq ekanligi faraz qilingan.
Turbulent oqim odatda aniq bashorat qilinmaydigan xarakterga ega boʻlib, matematik til bilan aytganda “g‘alati tortuvchi” (strange attractor) kabi murakkab rivojlanishga ega. Shu sababli, turli holatlar uchun nazariy hisoblash o‘rniga oqim parametrlarining o‘rtacha qiymatlari atrofida statistik xususiyatlarini o‘rganish usullari keng tarqalgan. Masalan, Reynolds ishi bo‘yicha laminar va turbulent oqimlarni ajratadigan Re soni muhim ahamiyatga ega. Katta Re sonida inertial kuchlar dominant bo‘ladi, bu esa oqimda tartibsiz buralmalar paydo bo‘lishiga olib keladi.
Tabiatda turbulentlik
Turbulent oqimlar tabiatda deyarli har bir sohada uchraydi. Eng keng ko‘lamda ular atmosferada va okeanlarda namoyon boʻladi. Masalan, atmosferaning yupqa tuzilishi tufayli katta siklon va tornado singari ob-havo tizimlari ancha yirik buralmalar to‘plamiga oʻxshaydi. Dengiz va okeanlarda kuchli oqimlar va aralash qatlamlarda tortish va mavsumiy o‘zgarishlar oqibatida keng miqyosli turbulensiya yuzaga keladi. Yulduz atmosferalaridagi gazlarning tebranishlari ham turbulensiya namunasidir: masalan, Quyosh va boshqa yulduzlar suvonaligidagi harakatlar intizombi bulishidan kelib chiqadi.
Biologiyada ham turbulensiya muhim rol o‘ynaydi. Inson organizmida masalan, o‘pka va yurakda qon va havo oqimi fazoviy va vaqt bo‘yicha beqaror tebranadi, bu esa kislorod almashinuvi va metabolizmda ahamiyat kasb etadi. Ko‘pincha yuza bo‘lgan tosh-toshli daryolarda uzoq to‘siqlardan so‘ng oqayotgan suv buralmalarga aylanadi. Shuningdek, tog‘ vodiylarida shamol sur’ati tezligi to‘satdan o‘zgargan joylarda havo yoki suv larzalari ham turbulensiyaga sabab boʻladi.
Texnikada turbulentlik
Muhandislik amaliyotida turbulensiyani qidirib topish yoki kamaytirish muhim masaladir. Bir tomondan, yog‘-yonilg‘i va kimyo sanoatida va yong‘in pechlarida yonish jarayonini samarali qilish uchun maqsadli turbulensiya chiqarish kerak; boshqa tomondan, aerodinamik samaradorlikni oshirish uchun buralmalarni kamaytirish yo‘llari qo‘llaniladi. Masalan, winglet deb ataladigan qanot uchidagi ko‘tarilgan elementlar samolyotlarda yonilg‘i sarfini taxminan 3–4% ga tejaydi, chunki ular qanot orqasida paydo boʻladigan vortekslarni kichraytiradi (rasmda samolyot qanotidan chiqayotgan qizil tutun bularni koʻrsatad.
Parvoz paytida qanotda laminar holatdan turbulentlikka oʻtishda bosimda pulsatsiyalar paydo boʻlishi mumkin. Buning oldini olish uchun qanot sirtida maxsus vorteks hosil qilgichlari o‘rnatiladi. Ular oqim parametrlari barqaror bo‘lishiga yordam beradi va ushbu joylardan so‘ng oqim doim turbulent hisoblanadi. Natijada, samolyot keskin sur’atdan uchayotganda qanot ko‘tarish kuchi sekin-asta oshib boradi, bu esa parvoz barqarorligini yaxshilaydi.
Energiya sanoatida esa og‘ir mazutli yonilg‘ilarni yonishdan avval qizdirib, suv bug‘i bilan turbilizatsiyalash orqali turbulensiya yaratiladi. Masalan, energiya korxonalarida topkalar yonilg‘i mazutining viskozitetsiyasini kamaytirish uchun mazut issiqlik bilan isitiladi, so‘ng pechga kirishdan oldin tez bug‘ bilan aralashtiriladi. Natijada yonish to‘liqroq amalga oshib, bug‘da ortiqcha qoldiqlar kamayadi va issiqlik chiqarish samaradorligi oshadi.
Masalan, aerodinamika bo‘yicha laboratoriya tadqiqotlarida samolyot qanoti ortida chiquvchi buralmalar qizil tutun bilan ko‘rsatiladi. Bunday eksperimental fotosurat samolyot qanotida hosil boʻlgan kuchli vorteksning yaqqol tasviri boʻlib, u aerodinamik tushishga sezilarli ta’sir ko‘rsatadi. Shuning uchun samolyotlarda qanot uchlarida o‘rnatiladigan wingletlar qanot ortidagi buralmalarni kamaytiradi.
Tadqiqotlar (SSSRda)
Dastlabki davrlarda Rossiya ilmida «beparvo oqim» atamasi ishlatilgan. 1938-yilda akademik P.L.Kapitsa izlagan hodisa – kriogen geliyning supero‘tkir holatida (geliy-II) ham turbulensiya kuzatilishi aniqlangan. 1941-yilda A.N.Kolmogorov va A.M.Obuxov uglerangazsiz suyuqliklardagi katta Re soni uchun birxillik turbulensiya nazariyasini rivojlantirdi; bu ishi keyingi ilmiy ishlarda asosiy nazariy maqomga ega bo‘ldi. 1946-yilda M.A.Velikanov «Daryoviy tokning kinematik tuzilishi» asarida tabiiy tok suvi turbulensiyasidagi qator qonuniyatlarni ta’rifladi. 1960-yillarda suv yuzasidagi noalinear to‘lqinlar (solitonlar) oʻrganila boshlandi. 1970-yillarda V.E.Zaxarov suv yuzasidagi zaif “to‘lqinli” turbulensiya holatini tahlil qildi va M.D.Millionchikov juda katta Re qiymatlaridagi chegaraviy qatlam uchun formulalar keltirdi. 1975-yilda B.M.Mandelbro kantaksi tomonidan fraktal tushunchasi joriy etildi va 1978-yilda Feigenbaum konstantasi topildi; ushbu natijalar Turbulentsiyada nazariy o'tish ssenariylarini tushunishga yordam berdi. 1980-yillarda Y.L.Klimontovich turbulentsiyani mutlaq tartibsizlik emas, balki yuqori darajadagi qatoratgan o‘rganish mumkin bo‘lgan jarayon deb hisoblash nazariyasini ilgari surdi (ya’ni, laminardan turblentlikka o‘tishda entropiya kamayadi deb baholadi)
