Czy turbulencja to zjawisko występujące tylko w samolotach? Jaki jest mechanizm jej powstawania? Czy można jej uniknąć? Czy ma jakieś pozytywne skutki? Co ma wspólnego z turbulencją piłeczki do golfa? O wpływie turbulencji na technikę i życie codzienne opowiada prof. dr hab. Witold Elsner z Politechniki Częstochowskiej, współkierujący międzynarodowym projektem ANIMATE, badającym zjawiska turbulentne.
Jak powstaje turbulencja?
Chyba każdy, kto podróżuje samolotem, zetknął się z turbulencjami, kiedy wydaje nam się, że wpadamy w dziurę powietrzną. O co chodzi z tymi turbulencjami?
Książkowa definicja tego zjawiska mówi, że turbulencją jest każdy przepływ płynu lub gazu, który jest zakłócony jakimś zewnętrznym czynnikiem. Powietrze to mieszanina gazów, w której “unosi się” samolot. Jeśli w czasie lotu natrafi na przykład na strumienie powietrza, zachowuje się, jak łódka trafiająca na wir w rzece. Takie właśnie wiry występują także w powietrzu, powodując chwilowe zmiany kierunku oraz prędkości powietrza. Mogą je wywoływać np. strumienie powietrza o różnej temperaturze, burze, przelot nad górami.
Co się wtedy dzieje?
Niekiedy kadłub drży. Czasami samolot “skacze” w górę i w dół. Wahania występujące w samolocie są niewielkie, najczęściej do 2-3 metrów. Jednak dużo silniej odczuwamy je pod wpływem stresu i strachu.
Czy można uniknąć turbulencji?
W praktyce to nieosiągalne. Oczywiście nowoczesne samoloty mają systemy wykrywania stref turbulencji i starają się je omijać. Ale nie zawsze jest to możliwe, chociażby z powodu bieżących zapasów paliwa. Poza tym niekiedy pojawiają się one nieoczekiwanie. Jedyne, co może wtedy zrobić pilot, to włączyć komunikat proszący pasażerów o zapięcie pasów. Takie niespodziane ruchy mas powietrza są wręcz nieuniknione.
Czy turbulencje są niebezpieczne?
Czasami słyszy się o wypadkach, które miały być spowodowane turbulencją. Jednak jeśli przeanalizuje się je dokładniej, zwykle okazuje się, że zawinił błąd człowieka albo konstrukcji.
Czy turbulencje występują wyłącznie podczas lotu samolotem?
Nie, to zjawisko znacznie bardziej powszechne, niż może się wydawać. To nie tylko najbardziej znane turbulencje lotnicze. Ciężko tak naprawdę znaleźć miejsce, gdzie turbulencja nie występuje. Poczynając od turbulencji międzygwiezdnej, gdzie występują chmury gazowe, przez bardziej ziemskie przykłady, takie jak prądy wodne rzek oraz oceanów. Na przykład rzeka, o szerokim korycie oraz płaskim dnie zazwyczaj płynie bardzo spokojnie, w uproszczeniu można powiedzieć, że nie ma w niej turbulencji. Jednak górski potok, którego koryto jest dużo węższe, spotyka się z wieloma spadkami wysokości, zakrętami, a dodatkowo jego dno jest nierówne oraz wypełnione kamieniami. Wszystko to jest objawem turbulencji w przepływie.
Czy turbulencje to tylko wiry powstające w płynach lub gazach?
Nie tylko. To każde zaburzenie stabilnego przepływu. Świetnym przykładem takiego zjawiska jest dym, zarówno ten tytoniowy, jak i ten unoszący się nad kominami. Struga dymu początkowo jest spójna i prosta, a dopiero później traci ona swój kształt i szybko się rozszerza. W pierwszym etapie występuje tzw. przepływ laminarny, w którym cząstki zawarte w dymie poruszają się po równoległych liniach. W następnych etapach pojawiają się zaburzenia oraz wiry, w wyniku których następuje dezintegracja strugi oraz jej rozszerzenie. To nazywamy przepływem turbulentnym. Bardzo dobrze przedstawione jest to na jednym ze zdjęć Humphrey’a Bogarta – aktora, który na planach filmowych bardzo często palił papierosy.
Co jeszcze warto wiedzieć o turbulencji, jako o zjawisku fizycznym?
Turbulencja to nie tylko to, co widzimy, ale również to czego doświadczamy. Dym tytoniowy odczuwamy w pomieszczeniu szybko, nawet mając zamknięte oczy. Warto zaznaczyć, że turbulencja jest zjawiskiem wieloskalowym. Skale zaczynają się od setek tysięcy kilometrów, w przypadku turbulencji geofizycznej oraz zmniejszają się do kilku metrów w przepływach technicznych. Rozpiętość tych skal zmniejsza się aż do ułamków milimetrów. Zatem wiry i zaburzenia turbulentne mogą mieć wielkość od sięgających poza kontynent, aż po mniejsze od skrzydeł komara.
Czy turbulencje to pozytywne, czy negatywne zjawisko w przemyśle i życiu codziennym?
Tutaj nie ma jedynej dobrej odpowiedzi. Wszystko tak naprawdę zależy od okoliczności.
Zalety turbulencji
To zacznijmy od zalet. Jak można wykorzystywać turbulencje?
Każdy z nas nieświadomie wykorzystuje zjawiska turbulentne do poprawy intensywności mieszania i wymiany ciepła. Doświadczamy tego na przykład podczas kąpieli, gdy woda w wannie ostygła. Wówczas, żeby zwiększyć jej temperaturę, dolewamy ciepłej wody. Żeby jednak woda szybciej zrobiła się cieplejsza, bardzo często mieszamy ją ręką. Ten ruch, który wprowadzamy, wywołuje turbulencje, powoduje szybszą wymianę ciepła i tym samym nagrzanie się wody. W zamkniętym pokoju nie ma tak dużego ruchu powietrza. Dominuje tam ruch konwekcyjny, powodujący, że powietrze się ogrzewa, zwiększa swoją objętość i unosi się do góry. Jednak i tam obecna jest turbulencja, która powoduje, że dużo szybciej odczuwamy nie tylko zapach dymu tytoniowego, ale również ciepło z rozgrzanego grzejnika. Gdyby jej nie było w takim pomieszczeniu, a występowałby jedynie ruch laminarny, to na ogrzanie takiego pomieszczenia trzeba byłoby czekać kilka dni, a nawet tydzień.
Gdzie jeszcze nieświadomie korzystamy z turbulencji?
Na przykład, gdy dmuchamy na gorące potrawy. Im szybciej powietrze płynie, tym szybciej je chłodzimy. Podobnie z suszeniem włosów. Ustawiając suszarkę, wybieramy nie tylko temperaturę, ale również często decydujemy się na włączenie najwyższej mocy nawiewu, zwiększając prędkość płynącego powietrza, ale i wprowadzając turbulencję. Tak samo, gdy suszymy pranie, wywieszając je na zewnątrz. Tam pod wpływem wiatru wilgoć jest szybciej usuwana.
A w jaki sposób wykorzystujemy zjawisko turbulencji bardziej świadomie?
Bardzo ciekawym przykładem badań nad turbulencjami są zmiany w projektowaniu piłek golfowych. Kiedyś stosowane w tym sporcie piłeczki były całkiem gładkie. W wyniku długotrwałego użytkowania pojawiały się na nich wgniecenia i stawały się poobijane. Po jakimś czasie stwierdzono, że właśnie te wielokrotnie używane i wgniecione piłeczki, uderzone, lecą znacznie dalej od tych nowych. Badania wskazały, że nacięcia i dołki na piłce działają jak turbolizatory – wywołują mikroturbulencje w warstwie powietrza wokół piłki, powodując zmniejszenie oporu w trakcie jej lotu.
A w przypadku bardziej praktycznych zastosowań?
Badania nad zjawiskiem turbulencji mają wpływ na projektowanie szybszych, mniej paliwożernych samochodów. Istotną zaletą turbulencji jest obniżenie oporu aerodynamicznego. Przyglądając się historycznemu rozwojowi i ewolucji w wyglądzie samochodów, można dostrzec ciągłe prace nad doskonaleniem kształtu pojazdów. Jednym z kryteriów jest tu współczynnik Cx, czyli współczynnik oporu aerodynamicznego, który określa doskonałość oporu, czyli kształt obiektu. Za samochodem, jak za każdym poruszającym się w powietrzu, czy w wodzie obiektem, tworzy się ślad aerodynamiczny, charakteryzujący się lokalnym spadkiem prędkości i strefą recyrkulacji, co jest wywołane oderwaniem się strug powietrza omywających karoserię. Opór aerodynamiczny możemy zmniejszyć, zawężając ślad aerodynamiczny, wykorzystując turbolizatory, podobnie jak w piłeczce golfowej. Podobnie dzieje się w technice lotniczej. W samolotach turbolizatory widoczne są na skrzydłach – w pobliżu krawędzi czołowej. Są to wypukłe blaszki, które powodują, że warstwa powietrza będzie przyklejona do skrzydła, zmniejszając opór aerodynamiczny.
Wady turbulencji
A gdzie staramy się walczyć z turbulencjami?
To może wydawać się zaskakujące, zważywszy na przedstawione zalety turbulencji, ale jej istotną wadą jest zwiększenie oporu aerodynamicznego na przykład podczas lotu samolotem. Wspomniałem, że turbulencja może zmniejszyć opór w przypadku szerokiego śladu aerodynamicznego. Wyobraźmy sobie zatem przekrój skrzydła samolotu. Jego krawędź natarcia, a więc początek, jest grubszy, a koniec jest stosunkowo cienki. Na początku skrzydła występuje warstwa laminarna, wtedy powietrze opływa stabilnie kształt wzdłuż ścianki, dzięki czemu w tym obszarze występują mniejsze straty przepływu. Następnie przepływ się turbulizuje, wtedy straty rosną. Jednym z kierunków rozwoju technologii lotniczych jest budowa skrzydła laminarnego. Niestety utrzymanie warstwy laminarnej jest trudne, gdyż bardzo łatwo ulega oderwaniu, o czym wspominałem wcześniej.
A w życiu codziennym?
Tutaj bardzo uciążliwą wadą jest hałas. Posłuchajmy, jak pracuje niekiedy wentylator łazienkowy. Szybkie prędkości wirowania powodują zaburzenia na łopatkach, co generuje nieunikniony hałas.
Jak sobie radzić z uciążliwymi turbulencjami?
Jak można usunąć negatywne skutki turbulencji w lotnictwie?
Projektanci samolotów starają się zaprojektować skrzydło samolotu w taki sposób, by było jak najbardziej laminarne, ograniczając udział przepływu turbulentnego w pobliżu ścianki skrzydła.
Jak zwalczać hałas wywołany turbulencjami?
Czasami metody podpowiada nam przyroda. Popatrzmy na sowę oraz jej niemal bezgłośny lot. Układ piór w locie sowy jest tak ukształtowany, że generuje turbulentne wiry o drobnej skali (cichsze), rozbijając duże, hałaśliwe wiry. Im mniejsze wiry, tym ciszej turbulencja daje o sobie znać. Producenci zarówno wentylatorów, jak i klimatyzatorów pracują nad kształtami łopatek, starają się też zmniejszyć prędkość wirowania, aby w ten sposób zminimalizować przepływ turbulentny.
Badania turbulencji na Politechnice Częstochowskiej
Co stanowi największe wyzwanie w badaniach nad turbulencjami?
Pracuję w Katedrze Maszyn Cieplnych Politechniki Częstochowskiej, gdzie od kilkudziesięciu lat prowadzimy badania obejmujące szeroko pojęte zagadnienia turbulencji. Wielkim wyzwaniem, z którym się mierzymy, jest próba ich pomiaru. W mierzeniu skal struktur turbulentnych, o których wspominałem, nie ma trudności, tak długo, jak mierzone wiry mają odpowiednio dużą wielkość. Do pomiaru skal mikrometrycznych konieczne jest zastosowanie odpowiednich technik. Takich jak stosowana przez nas termoanemometria oporowa, czyli pomiar prędkości powietrza, od której zależy temperatura i oporność włókna pomiarowego.
Jak pomaga w Państwa badaniach projekt ANIMATE?
ANIMATE to inaczej “Zaawansowane modelowanie numeryczne oraz badanie eksperymentalne przepływów turbulentnych, przejściowych w zastosowaniach w przemyśle chemicznym, energetycznym i samochodowym”. Jest międzynarodowym projektem badawczym, finansowanym z Narodowej Agencji Wymiany Akademickiej. Same badania są finansowane jednak z innych źródeł. Pochodzą między innymi z grantów czy też z budżetu współpracujących uczelni. W tej chwili w projekcie uczestniczy prawie 20 osób z PCz. Na tak zwaną kadrę zarządzającą składa się 6 osób. Do tego dochodzi dodatkowo kilkunastu doktorantów z naszej uczelni. Projekt został uruchomiony w 2020 roku, a badania mają trwać w sumie 3 lata.
Czym konkretnie zajmują się Państwo w ANIMATE?
Dzięki projektowi możemy analizować przepływy przejściowe, czyli takie, które znajdują się pomiędzy przepływami laminarnymi – stabilnymi i turbulentnymi – chaotycznymi. Dzięki współpracy międzynarodowej możemy prowadzić wspólne badania, wymieniać się doświadczeniami, dyskutować o wnioskach. Każdy zespół badawczy reprezentujący partnerów projektu posiada wiedzę, doświadczenie i kompetencje obejmujące zaawansowane modelowanie przepływów turbulentnych, przepływów z reakcjami chemicznymi oraz przepływów wielofazowych. Ponadto posiadamy wysokie doświadczenie w samych metodach obliczeniowych, jak i w technikach eksperymentalnych.
Jakie instytucje badawcze poza Politechniką Częstochowską współpracują przy ANIMATE?
Instytuty partnerskie reprezentowane są przez 2-3 wiodących naukowców oraz grupę doktorantów z każdego instytutu. To kilka rozpoznawalnych i liczących się instytutów naukowych takich jak Narodowy Instytut Nauk Stosowanych w Rouen we Francji, Europejskie Centrum Badań i Zaawansowanego Kształcenia w Informatyce Naukowej we Francji, Uniwersytet w Holenderskim Twente, Portugalski Uniwersytet w Coimbrze, KTH Royal Institute of Technology w Sztokholmie oraz Instytut Termomechaniki Czeskiej Akademii Nauk w Pradze.
Jaki cel chcą Państwo osiągnąć w wyniku ANIMATE?
Naukowym celem jest pogłębienie wiedzy na temat metod obniżenia oporu aerodynamicznego, rozwój narzędzi programistycznych i numerycznych oraz dokładne poznanie dzięki temu zjawisk zachodzących w przepływie. Nasze badania mogą być bardzo interesujące np. dla branży techniki lotniczej i motoryzacyjnej. Z jednej strony badamy przepływ przyścienny, taki jak w przypadkach omawianych wcześniej (skrzydła samolotu). Następnie przepływ wielofazowy z reakcjami chemicznymi, który jest obecny w cylindrach wysokoprężnych silników lub silnikach lotniczych. W takich przepływach istotne jest bardzo dobre wymieszanie. Jednorodna, homogeniczna mieszanka powoduje dobre spalanie, dzięki czemu nie powstają niespalone produkty, obniżające sprawność urządzenia oraz szkodzące środowisku. Trzecim obszarem badań jest sterowanie przepływem z reakcjami chemicznymi np. w proces spalania paliwa w silnikach samochodowych lub lotniczych, w których turbulencja odpowiada za wymieszanie paliwa z utleniaczem i uzyskanie jednorodnej mieszanki.
Jakie dodatkowe korzyści przyniesie ANIMATE Politechnice Częstochowskiej?
Z naszego punktu widzenia szczególnie istotne jest podniesienie kwalifikacji i poziomu naukowego oraz wymiany doświadczeń naukowców pracujących w projekcie. Uczestniczmy w stażach naukowych, w zagranicznych konferencjach i wideokonferencjach, przygotowujemy publikacje do renomowanych czasopism takich jak ,,Journal of Fluid Mechanics”, ,,Experimental Thermal and Fluid Science” czy też ,,International Journal of Heat Transfer and Fluid Flow”. Duży nacisk poświęcamy temu, żeby kształcić doktorantów. Wyjeżdżają oni do ośrodków partnerskich, gdzie wymieniają się posiadaną wiedzą z przedstawicielami pozostałych Instytutów. Uważamy, że zwiększenie ,,know how” krajowych ośrodków badawczych oraz intensyfikacja wymiany akademickiej korzystnie wpłynie na ich rozwój naukowy. Można nawet pokusić się o stwierdzenie, że prowadząc intensywną wymianę międzynarodową, sami generujemy pewnego rodzaju turbulencje, wymieniając się posiadaną wiedzą.
W jakim kierunku mogą rozwijać się dalej badania turbulencji na Politechnice Częstochowskiej?
Można podejść do tego w ten sposób: oglądając przyrodę nieuzbrojonym okiem, widzimy poruszające się zwierzęta oraz niewielkie owady. Gdy uzbroimy się w lupę, dostrzeżemy niewielkie fragmenty budowy owadów – czułki czy odnóża. Natomiast, gdy wreszcie użyjemy mikroskopu, możemy poznać większe szczegóły, śledząc mikroorganizmy. Podobnie jest z przepływami turbulentnymi. Często do tej pory prowadzono badania przy pomocy niedoskonałych technik. Rozwój w zakresie metod pomiarowych, a zwłaszcza metod obliczeniowych pozwala ,,wejść” w dane zjawisko – poczuć, jak ono przebiega. Ta wiedza może nam pozwolić na odpowiednie sterowanie przepływem. Dla przykładu, podczas wypływania strugi gazu z pierściennej dyszy, formuje się pierwotna struktura wirowa. Następnie rozpada się ona w struktury wirowe o mniejszej skali. Znając mechanizmy, które decydują o rozwoju takiej struktury, można tak dobrać parametry przepływu (np. zmieniając kształt dyszy, wywołując dodatkowy podmuch powietrza, czy zastosowanie utleniacza), by uformować tę strukturę według naszego pomysłu, podobnie jak formujemy ciasto. Można dzięki temu uzyskać znacznie lepsze efekty, wykorzystując minimalną ilość energii. Tak naprawdę jest jeszcze sporo do odkrycia w tej dziedzinie.
Rozmawiał Krzysztof Pełka
Prof. dr hab. Witold Elsner
Prof. dr hab. Witold Elsner – badacz zajmujący się m.in. przepływami turbulentnymi oraz aerodynamiką maszyn przepływowych. Ponadto wykładowca akademicki na Politechnice Częstochowskiej oraz kierownik Katedry realizującej międzynarodowy projekt ANIMATE, który zajmuje się badaniem oraz analizą przepływów przejściowych i turbulentnych. Autor kilkudziesięciu publikacji w czasopismach naukowych, monografii oraz materiałów konferencyjnych. Wielokrotnie zagradzany za swoją pracę takimi odznaczeniami jak Srebrny Krzyż Zasługi nadany przez Prezydenta RP w 2006 roku czy też Złota Odznaka ”Zasłużony dla Polskiego Towarzystwa Mechaniki Teoretycznej i Stosowanej” w 2013 roku.