Приложение к записке 7. Методы анализа пучков турбулентных потоков и уточнение анализа структур потоков.

Вводное замечание. В предыдущих главах рассматривалось множество свойств турбулентных потоков и методов их исследования. Однако в стороне пока оставались некоторые фундаментальные подходы, имеющие отношение как к пониманию – что такое турбулентность, так и к преодолению конкретных трудностей изучения турбулентных потоков. Среди таких подходов отмечается анализ случаев, когда экстраполяция не только линейных форм, описания потока и их разновидностей оказывается недостаточной для описания причин и форм перехода от течения ламинарного к течению турбулентному, но и недостаточным для этого оказывается эстраполяционный структурный анализ. Другой добавляемый подход – анализ случаев проявления «в пересечении» (в одном месте, в одно время) нескольких структурных элементов потока, первоначально вводимых как альтернативные друг по отношению к другу. Третий подход – анализ случаев хаотичности формирования структурных элементов потока. Иллюстрируя важность добавляемых подходов, напомним, что, например, последовательность возникновения разных форм турбулентного движения в произвольном участке потока во времени имеет свойства последовательностей фаз перехода от ламинарного движения к турбулентному в конкретных участках потока при изменении задаваемых его параметров.

1. Начнём с описания трудностей последовательного структурного анализа (например, перехода от ламинарного течения к турбулентному) и путей их преодоления. В предыдущих главах мы не избежали интерактивного подхода к этому вопросу. Согласно результатам такого анализа, расслоение струйных соударяющихся потоков при переходе от ламинарного состояния потока к турбулентности (например, при вытекании струи из магистрали в широкую ёмкость и ускорении такого вытекания) непосредственно сменяется субтурбулентным выплеском с прогрессирующим взаимным засасыванием параллельных струй. На самом деле квазилинейный анализ взаимодействия потоков позволяет выявить в этом процессе несколько дополнительных промежуточных структурных этапов, знание которых позволяет анализировать сложные случаи. Каждый из расслоившихся потоков последовательно дважды разворачивается вследствие дополнительных столкновений, и только после этого наступает состояние «внутреннего обтекания», определяющее <возможность взаимного всасывания струй, существование субтурбулентных и турбулентных образований.

2. Необходимость применения «другого подхода» определяется структурной нелинейностью свойств турбулентного потока, отмеченной в основном тексте Записки 7. Разные описания одного и того же потока могут применяться в формах использования разных ориентирующих чисел для описания развития отдельных структурных элементов, для описания их систем и декомпозиций. В разных обстоятельствах разными могут оказаться сами правила вычленения структурных элементов, сами их декомпозиции. Для замыкания решений конкретных задач приходится использовать матрицы представлений их компонентов. Переходы между представлениями определяются переходами между используемыми внешними условиями задания актуализируемых и используемых состояний элементов. Для одного сложного элемента используется несколько видов упрощенных заданий.

3. Третий подход побуждает рассматривать турбулентный поток как место проявления одного из видов процесса самоорганизации системы из первоначального состояния глубокого раздробления и хаоса. В существенной разновидности случаев, в общем виде этот процесс состоит из следующих последовательных стадий:

а) расслоение хаотической среды на относительно крупные компоненты 1- го вида. , характеризуемые относительно близкими (по величине и направлению) скоростями составляющих мелких компонентов и близкими их расположениями,

б) соответствующее усиление взаимного влияния «новых» компонентов и формирование новых квазиустойчивых по свойствам гетерогенных компонентов 2-го вида,

в) формирование квазиустойчивых совокупностей компонентов 2-го вида,

г) объединение указанных совокупностей в квазиавтономные системы 3-го вида ( замыкаемые системы)

Стадии могут повторяться, образовывать суперпозиции

Применение данного описания к анализу свойств турбулентного потока может состоять в проектировании предъявленного выше перечня на перечень стадий формирования и повторяющегося восстановления турбулентного потока. При этом могут «вскрываться» недооценённые ранее стадии и формирования, совершенствоваться символическое описание потока. Перечень стадий формирования потока, соответствующий показанному выше перечню, может, в частности выглядеть так:

а) формирование субмонад (расслоений, «выплесков») со случайными свойствами,

б) формирование вихрей гетерогенного состава, в) формирование цепочек и других конфигураций систем вихрей,

г) агрегирование и автономизация множеств вихрей, составленных из таких подсистем.

До сих пор мы не уделяли достаточно внимания ни структурной сложности таких систем, ни случайным результатам, соответствующим п.а) данного перечня.