Em mecânica dos fluidos, turbulência ou escoamento turbulento é um regime de escoamento caracterizado por movimento irregular e fortemente variável do fluido, com flutuações de velocidade, pressão e outras grandezas no espaço e no tempo. O movimento apresenta estruturas vorticais em uma ampla faixa de escalas e promove intensa transferência de momento, calor e massa.
A turbulência distingue-se do escoamento laminar, no qual o movimento ocorre de maneira mais regular e organizada. Embora as flutuações turbulentas possam apresentar aparência aleatória, elas resultam da dinâmica não linear das equações que governam o movimento dos fluidos.
A ocorrência da turbulência depende das propriedades do fluido, da velocidade do escoamento, de sua geometria e das perturbações presentes. Um dos parâmetros mais utilizados para caracterizar a importância relativa dos efeitos inerciais e viscosos é o número de Reynolds.
Características
Escoamentos turbulentos apresentam variações de velocidade em torno de um movimento médio e estruturas de diferentes dimensões que interagem continuamente. Essas estruturas podem transportar quantidade de movimento e outras propriedades do fluido de maneira muito mais eficiente que a difusão molecular isoladamente.
Entre as características frequentemente associadas à turbulência estão:
flutuações irregulares de velocidade e pressão; presença de vorticidade e estruturas vorticais; intensa mistura e transporte de quantidade de movimento, calor e espécies químicas; ocorrência simultânea de uma grande variedade de escalas espaciais e temporais; dissipação da energia cinética do movimento em energia interna devido aos efeitos da viscosidade.
A turbulência pode ocorrer em líquidos e gases e está presente em fenômenos que vão desde escoamentos em tubos, canais e ao redor de veículos até movimentos atmosféricos e oceânicos.
Transição para a turbulência
A passagem de um regime laminar para um regime turbulento é denominada transição. Ela não ocorre a partir de um único valor universal de velocidade ou de número de Reynolds, pois depende da geometria do sistema, das condições de contorno e da intensidade e natureza das perturbações presentes no escoamento.
O número de Reynolds pode ser escrito genericamente como
em que representa uma velocidade característica, um comprimento característico e a viscosidade cinemática do fluido.
Os experimentos realizados por Osborne Reynolds no século XIX mostraram que a transição em tubos está relacionada a esse parâmetro adimensional e também às perturbações introduzidas no escoamento.
Pesquisas experimentais e numéricas mais recentes sobre tubos circulares mostraram que regiões localizadas de turbulência podem surgir, desaparecer ou se multiplicar durante a transição. Em um estudo publicado em 2011, a competição entre o decaimento e a divisão dessas regiões indicou um ponto crítico próximo de para a manutenção da turbulência naquele sistema específico.
Esse valor não constitui, contudo, um critério universal para outros tipos de escoamento.
Cascata de energia e escalas de Kolmogorov
Uma das descrições fundamentais da turbulência a altos números de Reynolds foi desenvolvida por Andrei Kolmogorov em 1941. Em sua teoria da turbulência localmente isotrópica, Kolmogorov propôs que, em escalas suficientemente pequenas e afastadas das escalas responsáveis pela geração do movimento, determinadas propriedades estatísticas do escoamento passam a depender principalmente da taxa média de dissipação de energia e da viscosidade cinemática do fluido.
Em turbulência tridimensional, a energia introduzida nas grandes escalas do movimento é transferida por interações não lineares para estruturas progressivamente menores. Esse processo é conhecido como cascata de energia. Nas escalas suficientemente pequenas, os efeitos viscosos tornam-se dominantes e dissipam a energia cinética turbulenta.
A escala de comprimento característica em que a dissipação viscosa se torna importante é denominada escala de Kolmogorov e pode ser representada por
em que é a viscosidade cinemática e é a taxa média de dissipação de energia por unidade de massa.
Consequentemente, não existe um tamanho físico fixo, como um centímetro, abaixo do qual a turbulência sempre seja dissipada; a escala depende das propriedades e das condições de cada escoamento.
Descrição matemática e modelagem
Para fluidos newtonianos, grande parte dos fenômenos turbulentos é descrita a partir das equações de Navier-Stokes. A forte não linearidade dessas equações e a grande quantidade de escalas envolvidas tornam a previsão detalhada dos escoamentos turbulentos um problema complexo.
Apesar dos avanços experimentais, teóricos e computacionais, permanecem questões matemáticas fundamentais relacionadas às próprias equações de Navier-Stokes. A existência e a regularidade global de soluções suaves em três dimensões constituem um dos Problemas do Milênio ainda não resolvidos.
Na engenharia e nas ciências naturais, o estudo da turbulência utiliza medições experimentais, descrições estatísticas e métodos de dinâmica dos fluidos computacional. Modelos de turbulência são empregados quando não é computacionalmente viável resolver diretamente toda a variedade de escalas presentes no escoamento.
Turbulência atmosférica
thumb|Estruturas vorticais formadas na esteira de uma aeronave.
Na atmosfera, a turbulência pode ser produzida por diferentes mecanismos, incluindo convecção, interação do vento com o relevo, sistemas frontais e cisalhamento do vento.
A turbulência associada a tempestades convectivas pode ser intensa devido às fortes correntes ascendentes e descendentes presentes nessas nuvens e em suas proximidades.
Turbulência de ar claro
A turbulência de ar claro (TAC; em inglês, clear-air turbulence, CAT) designa, no contexto aeronáutico, turbulência de altos níveis não associada diretamente a nuvens cumuliformes ou tempestades. É frequentemente relacionada a fortes gradientes e cisalhamento do vento, especialmente nas proximidades das correntes de jato.
Áreas de turbulência de ar claro são geralmente descontínuas e podem variar consideravelmente em extensão horizontal, espessura vertical e intensidade.
A previsão desse fenômeno é importante para a meteorologia aeronáutica, uma vez que a turbulência pode ocorrer sem uma indicação visual evidente para a tripulação. Serviços meteorológicos utilizam observações, previsões numéricas e relatos de aeronaves para identificar regiões com maior probabilidade de ocorrência.
Exemplos
Um exemplo visual frequentemente utilizado para ilustrar a transição de um escoamento é a coluna de fumo que sobe a partir de uma fonte pequena. Próximo à origem, o movimento pode permanecer relativamente regular; mais acima, perturbações crescem e o escoamento passa a apresentar movimentos irregulares e mistura mais intensa.
Outros exemplos de escoamentos turbulentos incluem:
escoamentos em rios e canais; movimento do ar na camada limite atmosférica; escoamentos em tubulações a números de Reynolds suficientemente elevados; esteiras formadas atrás de veículos, edifícios e outros obstáculos; movimentos de fluidos em diversos equipamentos industriais.
Ver também Fluxo laminar Número de Reynolds Equações de Navier-Stokes Vorticidade Escala de Kolmogorov Turbulência de ar claro Dinâmica dos fluidos computacional
Categoria:Mecânica de fluidos Categoria:Meteorologia