Глава 11. СИЛЬНАЯ ТУРБУЛЕНТНОСТЬ

В § 3 гл. 10 понятие турбулентности уже было кратко затронуто. Теперь мы обсудим его более подробно. В различных областях физики понятие турбулентности эксплуатируется в самых необычных ситуациях. В этом нет ничего удивительного. Классическое понятие турбулентности как хаотического движения жидкости возникло давно. Оно явилось следствием понимания того, что турбулентное движение возникает из регулярного (ламинарного) движения из-за сложных нелинейных процессов, приводящих к развитию специфических неустойчивостей. Эти неустойчивости рождают на определенном этапе стохастическую динамику. Поэтому понятие турбулентности естественным образом вошло в те области физики, где смена физической картины под влиянием каких-либо причин отражала переход от регулярного явления к хаотическому. Мы будем пользоваться понятием турбулентности именно в этом широком смысле, подразумевая возникновение локальной неустойчивости, -энтропии и т. д.

Понятие сильной турбулентности вводится для того, чтобы отличить ее от слабой турбулентности. Мы уже видели в § 3 гл. 10, что в слабой турбулентности динамика представлена как слабое взаимодействие плоских волн, или квазичастиц. К сильной турбулентности относятся все те случаи, где подобное представление отсутствует. Существуют различные причины, по которым слабая турбулентность невозможна. Первая из них, и достаточно очевидная, заключается в том, что волны являются сильно нелинейными, хотя взаимодействие между ними может быть и слабое. Вторая причина связана с тем, что неустойчивость плоских волн имеет инкремент, сравнимый или превышающий частоту волн. В этом случае быстро теряется применимость понятия плоской волны и следует вводить иное описание (и иное представление) о последующей динамике в системе.

Существует и более конкретный круг вопросов, включающийся в понятие турбулентности, — это хаотическое движение жидкости, динамика которой удовлетворяет уравнению Навье-Стокса

где давление, внешние силы, вязкость. Если жидкость несжимаема, то уравнение непрерывности принимает вид

Это направление задачи может быть охарактеризовано как необходимость получения турбулентного описания из уравнения Навье-Стокса. В этой главе мы приведем несколько характерных примеров сильной турбулентности.