湍流基礎(chǔ)知識

1、 電話：電話：010010（O O）手機手機: : E-mailE-mail：辦公室：新主樓辦公室：新主樓C1114C1114湍流基本特征湍流基本特征湍流控制方程湍流控制方程湍流湍流平板邊界層的能量平衡平板邊界層的能量平衡湍流湍流平板邊界層厚度和阻力平板邊界層厚度和阻力 粗糙平板紊流邊界層粗糙平板紊流邊界層湍流具有非定常的、三維的、周期性的漩渦運動湍流具有非定常的、三維的、周期性的漩渦運動特征，即脈動特征，能夠增強動量摻混、熱量傳特征，即脈動特征，能夠增強動量摻混、熱量傳遞和剪切應(yīng)力。遞和剪切應(yīng)力。湍流脈動在空間上和時間上都是隨機的，但是湍湍流脈動在空間上和時間上都是隨機的，但是湍流脈動量的統(tǒng)

2、計平均卻能展示其主要輸運機理。流脈動量的統(tǒng)計平均卻能展示其主要輸運機理。所有的湍流中均包含尺度范圍很廣的漩渦，從小所有的湍流中均包含尺度范圍很廣的漩渦，從小尺度漩渦到大尺度漩渦。尺度漩渦到大尺度漩渦。湍流對于初始條件非常敏感，即湍流行為很大程湍流對于初始條件非常敏感，即湍流行為很大程度上取決于初始條件。度上取決于初始條件。小尺度渦結(jié)構(gòu)大尺度渦結(jié)構(gòu)能量串級 (after Richardson, 1922)能量注入耗散能量耗散渦大尺度渦能量流動方向外流內(nèi)流沿著壁面的流動繞物體的流動其他一些因素也可能引發(fā)流動在低雷諾數(shù)下發(fā)生轉(zhuǎn)捩，例如自由來流湍流度、物面條件、吹氣、吸氣、以及其他擾動。etc.,hd

3、dxL Re 3.51063105 Re 3.510640 Re 150150 Re 31055-15 Re 40 Re 5 湍流渦街，但是分離湍流渦街，但是分離比層流窄比層流窄邊界層轉(zhuǎn)捩后流動分邊界層轉(zhuǎn)捩后流動分離離層流分離，湍流尾跡層流分離，湍流尾跡層流渦街層流渦街層流尾跡中具有一對層流尾跡中具有一對穩(wěn)定的渦穩(wěn)定的渦蠕動層流蠕動層流雷諾平均雷諾平均 考慮到湍流的隨機性，考慮到湍流的隨機性，18951895年年ReynoldsReynolds首首次將瞬時湍流看作為時均運動（描述流動的平次將瞬時湍流看作為時均運動（描述流動的平均趨勢）均趨勢）+ +脈動運動（偏離時均運動的程度）。脈動運動（偏離

4、時均運動的程度）。以后逐漸提出空間分解和統(tǒng)計分解等方法。以后逐漸提出空間分解和統(tǒng)計分解等方法。（1 1）時間分解法（）時間分解法（ReynoldsReynolds的時均值概念的時均值概念) ) 如果湍流運動是一個平穩(wěn)的隨機過程，則如果湍流運動是一個平穩(wěn)的隨機過程，則在湍流場中任一點的瞬時速度在湍流場中任一點的瞬時速度u可分解為時均速可分解為時均速度脈動速度。度脈動速度。uuu式中，時均速度定義為式中，時均速度定義為 這里取時均值的時間這里取時均值的時間T T要求遠遠大于脈動要求遠遠大于脈動運動的積分時間尺度。運動的積分時間尺度。 對于非平穩(wěn)的隨機過程，嚴格而言不能用對于非平穩(wěn)的隨機過程，嚴格而

5、言不能用時均分解法，但如果時均運動的特征時間遠大時均分解法，但如果時均運動的特征時間遠大于脈動運動的特征時間，且當取均值時間于脈動運動的特征時間，且當取均值時間T T遠遠小于時均運動的特征時間而又遠大于脈動運動小于時均運動的特征時間而又遠大于脈動運動的特征時間時，時均值分解仍近似成立。的特征時間時，時均值分解仍近似成立。TTTudtTudtTuLim0011非平穩(wěn)隨機過程非平穩(wěn)隨機過程平穩(wěn)隨機過程平穩(wěn)隨機過程（2 2）空間分解法（空間平均法）空間分解法（空間平均法） 如果湍流場是具有空間均勻性的隨機場如果湍流場是具有空間均勻性的隨機場，則可采用空間平均法對湍流的瞬時量進行空，則可采用空間平均法

6、對湍流的瞬時量進行空間分解。即間分解。即（3 3）系綜平均法（概率意義上的分解）系綜平均法（概率意義上的分解） 如果湍流運動既不是時間平穩(wěn)的、也不是如果湍流運動既不是時間平穩(wěn)的、也不是空間均勻的，那么我們可在概率意義上對湍流空間均勻的，那么我們可在概率意義上對湍流的瞬時運動進行分解。即的瞬時運動進行分解。即LudxLu01puduuNuii11N-SN-S方程：方程：物理量的瞬態(tài)值定義為系綜平均值與脈動值之和物理量的瞬態(tài)值定義為系綜平均值與脈動值之和對對N-SN-S方程進行系綜平均，可以得到方程進行系綜平均，可以得到 ERANS ERANS 方程。方程。雷諾應(yīng)力雷諾應(yīng)力, Rij21iiiji

7、jijjuuupuftxxxx 0iiux,iiiux tux tux t,iiipx tpx tpx t0iiux21ijiiijijijjju uuupuuftxxxxx 平板邊界層流動中，勢流流速和壓強在整個平板邊界層流動中，勢流流速和壓強在整個流場中均為常數(shù)。當邊界層雷諾數(shù)流場中均為常數(shù)。當邊界層雷諾數(shù) 達到臨界值后達到臨界值后，邊界層流動將可能由層流轉(zhuǎn)變?yōu)橥牧鳌Ｍ牧鬟?，邊界層流動將可能由層流轉(zhuǎn)變?yōu)橥牧?。湍流邊界層中的流速分布、阻力?guī)律、邊界層厚度的沿界層中的流速分布、阻力規(guī)律、邊界層厚度的沿程發(fā)展等均與層流邊界層不同。而且在湍流邊界程發(fā)展等均與層流邊界層不同。而且在湍流邊界層流動中又

8、因固體壁面的光滑或粗糙而使得流動層流動中又因固體壁面的光滑或粗糙而使得流動情況發(fā)生變化。情況發(fā)生變化。湍流平板邊界層流動是一種基本的流動現(xiàn)象湍流平板邊界層流動是一種基本的流動現(xiàn)象，對于航空、造船、化工、水力機械和水工建筑，對于航空、造船、化工、水力機械和水工建筑物的設(shè)計都有重要的意義。物的設(shè)計都有重要的意義。 像圓管湍流一樣，湍流平板邊界層流動也像圓管湍流一樣，湍流平板邊界層流動也是壁面湍流的一種，只不過固體邊界的特征不是壁面湍流的一種，只不過固體邊界的特征不同。圓管湍流是流動發(fā)生在由固體邊界所包圍同。圓管湍流是流動發(fā)生在由固體邊界所包圍的空間內(nèi)，因而固體邊界限制了湍流的發(fā)展。的空間內(nèi)，因而固體邊界限制了湍流的發(fā)展。而平板邊界層流動則是流動發(fā)生在某一固體壁而平板邊界層流動則是流動發(fā)生在某一固體壁面上，在固體壁面上的湍流邊界層可以沿程發(fā)面上，在固體壁面上的湍流