湍流理论 湍流 湍流-基本介绍,湍流-湍流理论

湍流(turbulentmotion)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,也称为稳流或片流;逐渐增加流速,流体的流线开始出现波浪状的摆动,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,层流被破坏,相邻流层间不但有滑动,还有混合。这时的流体作不规则运动,有垂直于流管轴线方向的分速度产生,这种运动称为湍流,又称为乱流、扰流或紊流。

湍流_湍流 -基本介绍


湍流

湍流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,也称为稳流或片流;逐渐增加流速,流体的流线开始出现波浪状的摆动,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,层流被破坏,相邻流层间不但有滑动,还有混合,形成湍流,又称为乱流、扰流或紊流。

在自然界中,我们常遇到流体作湍流,如江河急流、空气流动、烟囱排烟等都是湍流。

湍流是在大雷诺数下发生的,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。一般管道雷诺数Re=4000为湍流状态,Re=2320~4000为过渡状态。


均匀烟流通过厚的平板后形成湍流

湍流基本特征是流体微团运动的随机性。湍流微团不仅有横向脉动,而且有

相对于流体总运动的反向运动,因而流体微团的轨迹极其紊乱,随时间变化很快(见图2)。湍流中最重要的现象是由这种随机运动引起的动量、热量和质量的传递,其传递速率比层流高好几个数量级。

湍流利弊兼有。一方面它强化传递和反应过程;另一方面极大地增加摩擦阻力和能量损耗。鉴于湍流是自然界和各种技术过程中普遍存在的流体运动状态(例如,风和河中水流,飞行器和船舶表面附近的绕流,流体机械中流体的运动,燃烧室、反应器和换

热器中工质的运动,污染物在大气和水体中的扩散等),研究、预测和控制湍流是认识自然现象,发展现代技术的重要课题之一。湍流研究主要有两类基本问题:阐明湍流是如何发生的;了解湍流特性。由于湍流运动的随机性,研究湍流必需采用统计力学或统计平均方法。研究湍流的手段有理论分析、数值计算和实验。后二者具有里要的工程实用意义。

湍流_湍流 -湍流理论

中心问题是求湍流基本方程纳维-斯托克斯方程的统计解,由于此方程的非线性和湍流解的不规则性,湍流理论成为流体力学中最困难而又引人入胜的领域。虽然湍流已经研究了一百多年,但是迄今还没有成熟的精确理论,许多基本技术问题得不到理论解释。

1895年,O.雪诺首先采用将湍流瞬时速度、瞬时压力加以平均化的平均方法,从纳维-斯托克斯方程导出湍流平均流场的基本方程――雷诺方程,奠定了湍流的理论基础。以后发展了(以混合长假设为中心的)半经验理论和各种湍流模式,为解决各种迫切的技术问题提供了一定有效的理论依据。20世纪30年代以来,湍流统计理论,特别是理想的均匀各向同性湍流理论获得了长足的进步,但是离解决实际问题还很远。60年代以来应用数学家采用泛函、拓扑和群论等数学工具,分别从统计力学和量子场论等不同角度,探索湍流理论的新途径。70年代以来,由于湍流相干结构(又称拟序结构)概念的确立,专家们试图建立确定性湍流理论。关于湍流是如何由层流演变而来的非线性理论,例如分岔理论,混沌理论和奇怪吸引子等有了重要进展。

湍流_湍流 -空气动力学中的湍流

空气动力学中的湍流指的是短时间(一般少于10min)内的风速波动。换言之,湍流指的是最高频谱峰值。

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湍流产生原因主要有两个:

1.当空气流动时,由于地形差异(例如,山峰)造成的与地表的“摩擦”;

2.由于空气密度差异和气温变化的热效应空气气团 垂直运动。

这两种运动往往相互关联。

  

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