Turbulencija (: nemiran, uzburkan) je nepravilno vrtložno strujanje koje se javlja u tečnosti i gasu kada se ono usporava zbog prolaska pored čvrstih tela ili kada brzina strujanja prelazi određenu granicu. U dinamici fluida, turbulencija ili turbulentni tok je kretanje tečnosti koje karakteriše haotična promena pritiska i brzine protoka. Ona je u suprotnosti sa laminarnim tokom, koji nastaje kada tečnost teče u paralelnim slojevima, bez poremećaja između tih slojeva. Za turbulentno strujanje karakteristično je da pored srednje brzine strujanja, svaka čestica tečnosti ili gasa ima još i dodatnu brzinu koja može biti delimično u smeru glavnog strujanja, delimično suprotna smeru strujanja. Po tome se razlikuje turbulentno od laminarnog strujanja, u kojem nema dodatnih brzina. Pod određenim uslovima uz turbulenciju pojavljuje se i kavitacija. U atmosferi je strujanje vazduha (vetra) gotovo uvek turbulentno.
Turbulencija se često uočava u svakodnevnim pojavama kao što su surfanje, brze reke, gromoglasni olujni oblaci ili dim iz dimnjaka, i većina protoka tečnosti koji se javljaju u prirodi ili su stvoreni u inženjerskim primenama su turbulentni. Turbulencija nastaje usled prekomerne kinetičke energije u delovima protoka tečnosti, čime se prevazilazi efekat prigušivanja viskoznosti tečnosti. Iz tog razloga turbulencija se obično realizuje u fluidima sa niskim viskozitetom. Generalno gledano, u turbulentnom protoku javljaju se nestabilni vrtlozi mnogih veličina koji međusobno deluju, što posledično dovodi do povlačenja usled povećanja efekata trenja. To povećava energiju potrebnu za ispumpavanje tečnosti kroz cev. Turbulencija se može iskoristiti, na primer, u uređajima poput aerodinamičkih spojlera na avionima kojima se „narušava“ laminarni tok kako bi povećala vuča i smanjilo podizanje.
Pojava turbulencije može se predvideti bezdimenzionalnim Reinoldsovim brojem, odnosom kinetičke energije prema viskoznom prigušivanju u protoku tečnosti. Međutim, turbulencija se dugo opirala detaljnoj fizičkoj analizi, i interakcije unutar turbulencije stvaraju veoma složen fenomen. Ričard Fajnman je opisao turbulenciju kao najvažniji nerešeni problem klasične fizike.
Intenzitet turbulencije utiče na mnoga polja, na primer na riblju ekologiju, zagađenje vazduha, padavine i klimatske promene.
Primeri turbulencije thumb|right|Laminarno i turbulentno strujanje vode preko trupa podmornice. Kako se relativna brzina vode povećava, dolazi do turbulencije. thumb|right|Turbulencija u vršnom vrtlogu od krila aviona koji prolazi kroz obojeni dim.
Dim koji se diže iz cigarete. Prvih nekoliko centimetara dim je laminaran. Pramen dima postaje turbulentan kako se njegov Rejnoldsov broj povećava sa povećanjem brzine protoka i karakteristične skale dužine. Protok preko loptice za golf. (Ovo se najbolje može razumeti ako se smatra da je loptica za golf nepokretna, sa vazduhom koji struji preko nje.) Da je loptica za golf glatka, protok graničnog sloja preko prednjeg dela sfere bio bi laminaran u tipičnim uslovima. Međutim, granični sloj bi se rano odvojio, pošto je gradijent pritiska prelazio sa povoljnog (pritisak koji se smanjuje u smeru protoka) na nepovoljan (pritisak raste u smeru strujanja), stvarajući veliki deo niskog pritiska iza lopte koji stvara veliki otpor vučenja. Da bi se ovo sprečilo, površina je udubljena da bi se poremetio granični sloj i podstakla turbulencija. Ovo dovodi do većeg trenja kože, ali pomera tačku odvajanja graničnog sloja dalje, što rezultira manjim otporom. Turbulencija u čistom vazduhu tokom leta aviona, kao i slabo astronomsko gledanje (zamućenje slika koje se vide kroz atmosferu). Većina zemaljske atmosferske cirkulacije. Okeanski i atmosferski mešoviti slojevi i intenzivne okeanske struje. Uslovi protoka u mnogim industrijskim uređajima (kao što su cevi, kanali, taložnici, prečistači gasa, izmenjivači toplote s dinamički struganom površinom, itd) i mašine (na primer, motori sa unutrašnjim sagorevanjem i gasne turbine). Spoljni tok preko svih vrsta vozila kao što su automobili, avioni, brodovi i podmornice. Kretanje materije u zvezdanim atmosferama. Mlaz koji se izbacuje iz mlaznice u mirujuću tečnost. Kako protok izlazi u ovu spoljašnju tečnost, stvaraju se smičući slojevi koji potiču od ivica mlaznice. Ovi slojevi odvajaju mlaz koji se brzo kreće od spoljašnje tečnosti, a pri određenom kritičnom Rejnoldsovom broju postaju nestabilni i razbijaju se do turbulencije. Biološki generisana turbulencija koja je rezultat plivanja životinja utiče na mešanje okeana. Snežne ograde funkcionišu tako što izazivaju turbulencije u vetru, primoravajući ga da spusti veći deo svog snega u blizini ograde. Nosači mostova (stubovi) u vodi. Kada je tok reke spor, voda glatko teče oko potpornih nogu. Kada je protok brži, veći Rejnoldsov broj je povezan sa protokom. Tok može početi laminarno, ali se brzo odvaja od noge i postaje turbulentan.
U mnogim geofizičkim tokovima (reke, atmosferski granični sloj), turbulencijom toka dominiraju koherentne strukture i turbulentni događaji. Turbulentni događaj je niz turbulentnih fluktuacija koje sadrže više energije od prosečne turbulencije toka. Turbulentni događaji su povezani sa koherentnim strujnim strukturama kao što su vrtlozi i turbulentno pucanje, i oni igraju ključnu ulogu u smislu pražnjenja sedimenta, akrecije i transporta u rekama, kao i mešanja i disperzije zagađivača u rekama i estuarijima i u atmosferi. U medicinskoj oblasti kardiologije, stetoskop se koristi za otkrivanje srčanih tonova i šumova, koji su posledica turbulentnog krvotoka. Kod normalnih osoba, srčani tonovi su proizvod turbulentnog toka dok se srčani zalisci zatvaraju. Međutim, u nekim uslovima turbulentni tok se može čuti iz drugih razloga, od kojih su neki patološki. Na primer, kod uznapredovale ateroskleroze, u nekim krvnim sudovima koji su suženi procesom bolesti mogu se čuti šumovi (a samim tim i turbulentni tok). Nedavno su turbulencije u poroznim medijima postale tema za velike debate. Strategije koje životinje koriste za olfaktornu navigaciju i njihov uspeh su pod velikim uticajem turbulencije koja utiče na mirisnu raspodelu.
Karakteristike thumb|right|Vizualizacija toka turbulentnog mlaza, napravljena laserom indukovanom fluorescencijom. Mlaz pokazuje širok raspon skala dužine, što je važna karakteristika turbulentnih tokova.
Turbulenciju karakterišu sledeće karakteristike: Nepravilnost Turbulentni tokovi su uvek veoma nepravilni. Iz tog razloga, problemi turbulencije se obično tretiraju statistički, a ne deterministički. Turbulentni tok je haotičan. Međutim, nisu svi haotični tokovi turbulentni. Difuznost Lako dostupno snabdevanje energijom u turbulentnim tokovima ima tendenciju da ubrza homogenizaciju (mešanje) smeša fluida. Karakteristika koja je odgovorna za pojačano mešanje i povećane brzine transporta mase, momenta i energije u toku naziva se „difuznost“.
Turbulentna difuzija se obično opisuje koeficijentom turbulentne difuzije. Ovaj koeficijent turbulentne difuzije je definisan u fenomenološkom smislu, po analogiji sa molekularnim difuzivnostima, ali on nema pravo fizičko značenje, budući da zavisi od uslova strujanja, a ne od svojstva samog fluida. Pored toga, koncept turbulentne difuzije pretpostavlja konstitutivni odnos između turbulentnog fluksa i gradijenta srednje promenljive sličan odnosu između fluksa i gradijenta koji postoji za molekularni transport. U najboljem slučaju, ova pretpostavka je samo aproksimacija. Ipak, turbulentna difuzivnost je najjednostavniji pristup za kvantitativnu analizu turbulentnih strujanja, a mnogi modeli su postulirani za njeno izračunavanje. Na primer, u velikim vodenim telima poput okeana ovaj koeficijent se može naći korišćenjem Ričardsonovog zakona četiri trećine stepena i podložan je principom slučajnog hoda. U rekama i velikim okeanskim strujama, koeficijent difuzije je dat varijacijama Elderove formule.
Rotacionalnost Turbulentni tokovi imaju vrtložnost različitu od nule i karakteriše ih snažan trodimenzionalni mehanizam generisanja vrtloga poznat kao istezanje vrtloga. U dinamici fluida, oni su u suštini vrtlozi podvrgnuti istezanju povezanom sa odgovarajućim povećanjem komponente vrtloženja u pravcu istezanja — zbog očuvanja ugaonog momenta. S druge strane, istezanje vrtloga je osnovni mehanizam na koji se oslanja kaskada energije turbulencije da bi uspostavila i održala funkciju strukture koja se može identifikovati. Generalno, mehanizam istezanja podrazumeva stanjivanje vrtloga u pravcu koji je upravan na pravac istezanja usled očuvanja zapremine fluidnih elemenata. Kao rezultat, skala radijalne dužine vrtloga se smanjuje i veće strukture toka se raspadaju na manje strukture. Proces se nastavlja sve dok strukture male veličine nisu dovoljno male da se njihova kinetička energija može transformisati molekularnim viskozitetom tečnosti u toplotu. Turbulentno strujanje je uvek rotaciono i trodimenzionalno. Na primer, atmosferski cikloni su rotacioni, ali njihovi u suštini dvodimenzionalni oblici ne dozvoljavaju stvaranje vrtloga i stoga nisu turbulentni. S druge strane, okeanski tokovi su disperzivni, ali u suštini nisu rotacioni i stoga nisu turbulentni.
Disipacija Da bi se održao turbulentni tok, potreban je postojan izvor snabdevanja energijom jer se turbulencija brzo raspršuje kako se kinetička energija pretvara u unutrašnju energiju viskoznim smičnim naponom. Turbulencija izaziva stvaranje vrtloga mnogo različitih skala dužine. Većina kinetičke energije turbulentnog kretanja sadržana je u strukturama velikih razmera. Energija se „kaskadno” prenosi iz ovih velikih struktura u strukture manjih razmera pomoću inercionog i u suštini neviscidnog mehanizma. Ovaj proces se nastavlja, stvarajući sve manje i manje strukture koje proizvode hijerarhiju vrtloga. Na kraju, ovaj proces stvara strukture koje su dovoljno male da molekularna difuzija postane važna i da se konačno desi viskozna disipacija energije. Skala na kojoj se to dešava je Kolmogorovljeva skala dužine.
Preko ove energetske kaskade, turbulentno strujanje se može realizovati kao superpozicija spektra fluktuacija brzine strujanja i vrtloga na srednjem toku. Vrtlozi su labavo definisani kao koherentni obrasci brzine protoka, vrtložnosti i pritiska. Turbulentni tokovi se mogu posmatrati kao sastavljeni od čitave hijerarhije vrtloga u širokom opsegu skala dužine, a hijerarhija se može opisati energetskim spektrom koji meri energiju u fluktuacijama brzine protoka za svaku skalu dužine (talasni broj). Skale u energetskoj kaskadi su generalno nekontrolisane i veoma nesimetrične. Ipak, na osnovu ovih skala dužine ovi vrtlozi se mogu podeliti u tri kategorije.
Integralna vremenska skala Integralna vremenska skala za Lagranžov tok se može definisati kao:
gde je u′ fluktuacija brzine, a je vremensko kašnjenje između merenja.
Skala integralne dužine Veliki vrtlozi dobijaju energiju iz srednjeg protoka, a takođe i jedni od drugih. Dakle, ovo su vrtlozi za proizvodnju energije koji sadrže većinu energije. Imaju veliku fluktuaciju brzine protoka i niske su frekvencije. Integralne skale su visoko anizotropne i definisane su u smislu normalizovanih korelacija brzine protoka u dve tačke. Maksimalna dužina ovih skala je ograničena karakterističnom dužinom aparata. Na primer, najveća skala integralne dužine protoka cevi jednaka je prečniku cevi. U slučaju atmosferske turbulencije, ova dužina može dostići i do nekoliko stotina kilometara. Integralna skala dužine može se definisati kao
gde je r rastojanje između dve merne lokacije, a u′ je fluktuacija brzine u istom pravcu.
Kolmogorovske skale dužine Najmanje skale u spektru koje formiraju opseg viskoznog podsloja. U ovom opsegu, unos energije iz nelinearnih interakcija i odliv energije iz viskozne disipacije su u tačnom balansu. Male skale imaju visoku frekvenciju, uzrokujući da turbulencija bude lokalno izotropna i homogena.