Turbulens og turbulent diffusion

Abstract

Artiklen giver en introduktion til turbulens og turbulent diffusion med udgangspunkt i både klassiske eksperimenter og moderne statistisk teori. Først beskrives overgangen fra laminar til turbulent strømning gennem Reynolds’ forsøg, herunder en definition af Reynolds-tallet. Turbulens ses karakteriseret ved at mange forskellige vekselvirkende skalastørrelser aktiveres samtidigt. Kolmogorovs skaleringsteori for homogen og isotrop turbulens giver en analytisk beskrivelse af energikaskaden fra store til små strukturer, herunder også dissipationen ved de mindste størrelser, Kolmogorovs længdeskala. Artiklen beskriver et laboratorieeksperiment med bevægelige gitre, hvor position og hastighed af små plastpartikler bestemmes gennem videoregistrering. Resultaterne bruges til at opstille en database til brug for analyse af enkeltpartiklers bevægelse, såvel som den relative bevægelse af partikelpar i turbulente omgivelser. Målingerne giver mulighed for en eksperimentel bestemmelse af, for eksempel, strukturfunktionen, der giver et statistisk resultat for variationen af hastighedsfeltet mellem to punkter. Ved at lade plastkuglerne repræsentere mikroorganismer, kobler artiklen analytiske resultater til biologiske problemstillinger, specielt plankton og fiskelarvers fødeoptagelse i turbulente omgivelser. Fra et teoretisk synspunkt ses turbulens som et fagområde i stadig udvikling. Der er gjort store fremskridt siden første halvdel af 1900-tallet, men detaljer omkring den turbulente energi dissipationen på de mindste rumlige skalastørrelser savner stadig en overbevisende forklaring. Sammen med laboratorie eksperimenter er numeriske simuleringer blevet et vigtigt redskab i moderne turbulens studier. Fagområdet har betydning i mange forskellige sammenhænge, herunder atmosfærefysik, oceanografi, marinbiologi, vindenergi og tekniske strømningsproblemer.