Tourbillon et turbulences dans une rivière

Léonard de Vinci s'est notamment passionné pour l'étude des turbulences qui après lui n'a pas progressé durant presque 400 ans, avant que l'ingénieur irlandais Osborne Reynolds prolonge ses travaux, en 1883

La turbulence désigne l'état d'un fluide, liquide ou gaz, dans lequel la vitesse présente en tout point un caractère tourbillonnaire : tourbillons dont la taille, la localisation et l'orientation varient constamment. Les écoulements turbulents se caractérisent donc par une apparence très désordonnée, un comportement difficilement prévisible et l'existence de nombreuses échelles spatiales et temporelles. De tels écoulements apparaissent lorsque la source d'énergie cinétique qui met le fluide en mouvement est relativement intense devant les forces de viscosité que le fluide oppose pour se déplacer. À l'inverse, on appelle laminaire le caractère d'un écoulement régulier. La découverte et l'étude des turbulences est très ancienne, elle a été par exemple faite par Léonard de Vinci.

Osborne Reynolds, qui a relancé à la fin du XIX siècle l'étude des turbulences

Le comportement complexe des écoulements turbulents est la plupart du temps abordé par la voie statistique. On peut ainsi considérer que l'étude de la turbulence fait partie de la physique statistique. Pour traduire le fait que, dans un écoulement, les forces d'inertie l'emportent sur les forces de viscosité, un nombre de Reynolds convenablement choisi doit être supérieur à un certain seuil. Pour l'étude des turbulences en milieu naturel, il est préférable d'utiliser le nombre de Richardson plutôt que celui de Reynolds, car ce dernier considère la densité du fluide comme constante, ce qui n'est pas vrai dans le cas des fluides compressibles.

Une propriété classiquement mise en avant d'un écoulement turbulent réside dans un processus appelé cascade d'énergie : la division des grands tourbillons en tourbillons plus petits permet un transfert d'énergie des grandes échelles vers les petites échelles. Ce processus est limité par l'effet de la dissipation moléculaire, qui empêche les variations de vitesse trop importantes. En pratique, ce transfert d'énergie n'est pas à sens unique, le phénomène d'appariement tourbillonnaire (en anglais backscatter) permettant le transfert ponctuel de petites structures tourbillonnaires (qui fusionnent) vers une ou plusieurs structures plus grandes.

La physique de la turbulence est en plein essor grâce à la généralisation des instruments de mesure (comme les free falling profilers ou les sondes à effet Doppler-Fizeau pour l'étude des turbulences en milieu aquatique), et à la réduction progressive de leur coût. Depuis les années 1970, la mécanique des fluides numérique permet aux chercheurs d'étudier la turbulence, principalement en utilisant une approche de simulation numérique directe.

Effets

Dans les transports

Tourbillon marginal (turbulence) d'une aile d'avion

La turbulence augmente la traînée des objets en mouvements pour des nombres de Reynolds élevés. Cependant, provoquer la transition d'un écoulement vers un régime turbulent peut permettre de retarder le décollement de la couche limite et de ce fait diminuer le coefficient de traînée. Par exemple certaines combinaisons de nageurs sont munies d'écailles, pour générer une turbulence sur la surface ; les concavités présentes à la surface des balles de golf jouent le même rôle, ainsi que les turbulateurs à la surface des avions autrement appelés générateurs de vortex.

En météorologie et océanographie

Il existe plusieurs phénomènes turbulents dans l'atmosphère et les océans. Certains sont reliés à convection lors du réchauffement des basses couches de ces fluides. Celles-ci deviennent moins denses que les couches supérieures et vont s'élever ce qui va changer la distribution de vitesse du fluide tant dans la verticale que dans l'horizontale.

D'autres sont reliés au glissement de couches stables, mais ayant des densités différences, l'une sur l'autre. Les ondes de Kelvin-Helmholtz sont générés de cette manière et introduisent une rotation semblable à une vague qui déferle à l'altitude de la jonction des couches. Il y a également des turbulences mécaniques qui se produisent quand le fluide atmosphérique ou océanique est forcé de surmonter un obstacle. On obtient alors d'une onde de gravité qui peut générer de la turbulence sous forme de rotors.

La turbulence explique donc les variations locales des courants marins et des vents atmosphériques.

Dans l'environnement

Modification (par le balancement d'un arbre) des turbulences qu'il génère dans le vent (allée de Kármán). La réalité est bien plus complexe (percolation du flux dans les branches et feuilles qui sont des obstacles plus ou moins élastiques)

Elles ont un rôle écologique important.

Dans l'eau les turbulences contribuent au mélange des couches thermiques, salines, acides ou plus ou moins oxygénées ou anoxiques, mais aussi à une érosion non-homogène et par suite à la turbidité, la remise en suspension ou dans les zones de moindre turbulence aux dépôts différentiés de particules (selon masse et granulométrie). Beaucoup d’organismes aquatiques savent utiliser des turbulences et notamment les contre courants qu'elles génèrent localement pour se déplacer en consommant moins d'énergie.

Face au vent, la rugosité du paysage et en particulier la rugosité dite "molle" de la végétation (par opposition à celle des roches et des constructions par exemple) a un impact important sur les vents (atténuation de la force du vent dans les basses couches de l'atmosphère), les turbulences et, indirectement, sur les envols ou dépôts de poussières, la température, l'évaporation, le mélange de la partie basse de la colonne d'air (de la hauteur des pots d'échappement à la hauteur où sont émis les panaches de cheminées d'usine ou de chaudières urbaines par exemple), la régularité du vent (important pour les installations d'éoliennes ou de fermes éoliennes), etc.

Kalnay et Cai dans la revue Nature avaient en 2003 posé l'hypothèse que les arbres freinaient significativement le vent. En effet, en forêt tropicale dense, hormis lors des tempêtes, les effets du vent sont quasiment imperceptibles depuis le sol. La plupart des arbres n'y produisent leurs puissants contreforts que quand ils émergent au niveau de la canopée où ils sont alors exposés à un éventuel déracinement par le vent. On a récemment réanalysé les données météorologiques de mesure des vents de surface (jusqu'à 10 mètres de hauteur) qui confirment dans l’hémisphère nord une tendance au ralentissement ; il semble que les forêts puissent, dans une certaine mesure, freiner le vent alors que la désertification l'exacerbe. Là où la forêt a regagné du terrain, la force du vent a diminué (de 5 à 15 %), et ce, de manière d'autant plus visible que le vent est fort. Les vents géostrophiques (induits par les variations de pression atmosphérique) n'ont pas diminué, et les aéroradiosondes ne montrent pas de tendance au ralentissement en altitude.

Le bocage est une structure écopaysagère qui modifie également les effets du vent en créant des microclimats atténuant le vent, mais aussi les chocs thermohygrométriques et l'érosion des sols ; Les turbulences générées par les arbres, haies et forêts ont une grande importance pour les microclimats bocager et forestiers, pour la circulation aériennes des pollens, d'invertébrés et microorganismes aéroportés, de propagules (ex : spores de mousses, lichens et autres épiphytes), mais aussi de phytohormones et d'odeurs aéroportées (parfum floral qui attire abeilles ou papillons pollinisateurs ou hôtes par exemple, ou hormones de stress qui attirent d'autres espèces). Le mouvement des feuilles laisse la lumière pénétrer plus profondément dans le houppier et au sol. Les buisson, bosquet, haie, ou massif forestier auront des effets différents, assez importants parfois pour freiner le vent de 5 à 15 % dans la couche des 10 à 20 m au-dessus du sol.

Inversement, dans l'eau, la mobilité de certains animaux aquatiques (poissons, têtards en particulier, mais aussi petits organismes tels que daphnies, crustacés) sont source de turbulences et microturbulences qui jouent un rôle dans le mélange de couches. On peut parler de microturbulence ou de nanoturbulence pour les mouvements induits par les bactéries à flagelle. Le système nerveux de certains poissons est très sensible aux turbulences, ce qui leur permet notamment de détecter l'attaque proche d'un prédateur.

En astronomie

La turbulence atmosphérique est le frein majeur aux observations astronomiques effectuées depuis la Terre. Elle a pour effet de disperser la lumière de façon fluctuante et aléatoire. Les dispositifs d'optique adaptative permettent de compenser en partie ces distorsions parasites.

Autres domaines

Elle est aussi étudiée en aéronautique (jets des réacteurs, chambres de combustion, sillages des aubes et compresseurs, etc.), dans l'industrie chimique (efficacité considérable du processus de mélange turbulent), ainsi qu'en acoustique, en géophysique, etc.

当层流遇到障碍物时转变为湍流

湍流（英语：turbulence），也称为紊流（中国地区的旧称），是流体的一种流动状态。当流速很小时，流体分层流动，互不混合，称为层流，或称为片流；逐渐增加流速，流体的流线开始出现波波状的摆动，摆动的频率及振幅随流速的增加而增加，此种流况称为过渡流；当流速增加到很大时，流线不再清楚可辨，流场中有许多小漩涡，称为湍流，又称为乱流（日本及港澳台用字）、扰流或紊流。

这种变化可以用雷诺数来量化。雷诺数较小时，黏滞力对流场的影响大于惯性力，流场中流速的扰动会因黏滞力而衰减，流体流动稳定，为层流；反之，若雷诺数较大时，惯性力对流场的影响大于黏滞力，流体流动较不稳定，流速的微小变化容易发展、增强，形成紊乱、不规则的湍流流场。

流态转变时的雷诺数值称为临界雷诺数。临界雷诺数与流场的参考尺寸有密切关系。一般管道流雷诺数Re＜2100为层流状态，Re＞4000为湍流状态，Re＝2100～4000为过渡状态。

在管路设计中，湍流比层流需要更高的泵输出功率。而在热交换器或者反应器设计中，湍流反而有利于热传递或者充分混合.

有效地描述湍流的性质，至今仍然是物理学中的一个重大难题。

潜水艇船体上方的层流和湍流

大气流动产生的湍流

大气湍流按成因分为“风暴湍流”和“晴空湍流”。前者由空气受热产生的强上升气流所致，因常发于风暴等上升气流旺盛的天气而得名。后者则是由于空气流动时不同气团交汇而成。风暴可由气象雷达预警，而“晴空湍流”由于缺乏征兆而较易发生意外。

有关湍流的举例

香烟产生的烟。在最初的几厘米，烟的流场是层流，随着热空气的向上加速，烟就开始变得不稳定形成了湍流。与此类似，空气中污染的扩散就是由湍流主宰的。

F1赛车高速转弯时，前车尾部造成的湍流使后车前定风翼下压力损失约30%。如果距离前车太近，会造成转向不足。

环绕高尔夫球的流动。（更好的理解是根据相对运动原理，假设高尔夫球不动，气体绕其流动。）表面粗糙的高尔夫球，流动的边界层分离点要比光滑表面的高尔夫球边界层分离点靠后。

乘坐飞机时常常会听到乘务员提示您飞机遇到湍流，请系好安全带。有时湍流（特别是晴空湍流）可能会导致飞机上的人员受伤，但少部分心理质素不佳的空姐大惊小怪时，请不用惊慌，大部分情况下飞行员都能很好对付在湍流中飞行的情况，并且记得系好安全带。