Precisamente, ¿por qué es difícil entender la turbulencia del alto número de Reynolds?

Answer 1

Porque el origen de la turbulencia es difícil de rastrear. Es debido a un fenómeno llamado caos. En este caso, una pequeña inestabilidad o un pequeño cambio en la condición inicial del flujo conducirá a resultados extremadamente variados, por lo que será difícil encontrar algún tipo de “tendencia” o regularidad en el flujo.

Considere el flujo sobre un cilindro con desprendimiento de vórtice laminar. Si bien esto no es un flujo turbulento, esto lo ayudará a comprender cómo un cambio menor puede influir de manera importante en el resultado. El problema aquí es que usted no sabe qué vórtice se eliminará primero cuando inicie el flujo, el superior o el inferior. Todo depende del flujo en ese momento del tiempo. Cualquiera que sea el vórtice que tenga una pequeña ventaja en las microescalas será el que se magnifique, crezca y se elimine primero. Y esta es solo la primera fase del caos.

Un flujo totalmente turbulento es una mezcla masiva de todas estas pequeñas inestabilidades. Y solo podemos predecir en parte la transición de laminar a turbulencia. Tendemos a estudiar las cantidades promediadas ya que no podemos predecir la naturaleza exacta del flujo en un punto.

Answer 2

¿El misterio de la turbulencia? Fluctuaciones caóticas impredecibles y remolinos irregulares que han hecho generaciones de científicos, luchando valientemente por entender tanto la belleza de la física como la estructura matemática de esos flujos de fluidos turbulentos complejos, no lineales, de múltiples escalas y fenómenos. La descomposición de Reynolds, una técnica para separar las partes medias y fluctuantes de una cantidad en flujos turbulentos, todavía no se comprende completamente. Al parecer, las ecuaciones de Navier-Stokes son adecuadas para describir la naturaleza de la turbulencia, desafortunadamente, no se conoce con certeza. Así que la lista de misterios puede continuar, pero tiendo a detenerla aquí.

Al aire libre
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Answer 3

Entender la turbulencia del número de Reynolds alto no es difícil per se. El proceso de describir los flujos turbulentos es bien conocido. Las técnicas computacionales utilizadas para resolver estos problemas también están bastante bien desarrolladas. Los métodos tradicionales de orden inferior como Reynolds Averaged Navier Stokes (RANS) se basan en gran medida en el modelado matemático de los efectos del fenómeno turbulento. Estos tienen que ser corroborados y mejorados por datos experimentales. Realizar y configurar experimentos para estudiar altos flujos de números de Reynolds es una tarea costosa y compleja y el equipo está limitado a unos pocos lugares. Los métodos de orden superior, como LES y DNS, requieren mucha más potencia de cálculo que los disponibles actualmente para modelar con precisión todos los mecanismos físicos. La comprensión también depende del tipo de fenómeno turbulento que estés estudiando. Existe una extensa literatura disponible sobre flujo hipersónico (Mach 6 y superior), flujo supersónico (Mach 1.5 y superior) e incluso flujos complejos en dispositivos de turbomáquinas con datos experimentales y computacionales que describen bien los mecanismos específicos. Sin embargo, la mayoría de las veces no se obtienen datos completos del DNS, lo que brindaría la mejor comprensión para comprender completamente los procesos que tienen lugar en los regímenes de flujo descritos.

Answer 4

Debido a la gama de escalas involucradas. En las turbulencias de alta Re, las estructuras de flujo más pequeñas son mucho más pequeñas que las más grandes.

Eso no siempre es un problema, al menos para experimentos físicos. Hay toneladas de datos experimentales para flujos de alta Re turbulentos, pero se limita a cantidades medias, o solo a unas pocas instantáneas de una pequeña región del flujo. Los datos volumétricos y resueltos en el tiempo que resuelven las escalas más pequeña y más grande no están disponibles.

Las simulaciones numéricas directas pueden proporcionarnos datos volumétricos resueltos en el tiempo. Pero el DNS de alta Re turbulencia es actualmente demasiado caro incluso para las superordenadoras más poderosas, debido a la separación de escalas.

Incluso si tuviéramos datos experimentales o numéricos de alta calidad, no es fácil “entender” la turbulencia. Cuando decimos que entendemos algo, queremos decir que los mecanismos de las cosas que suceden son claros para nosotros. Dado que la turbulencia es un fenómeno no lineal, es difícil aislar los mecanismos incluso si tuviéramos acceso a una gran cantidad de datos. La comprensión precisa de la dinámica de la turbulencia solo puede venir de la resolución de las ecuaciones gobernantes. Resolver ecuaciones no lineales es un dolor.