湍流基礎(chǔ)知識(shí)

1、 電話：電話：010010（O O）手機(jī)手機(jī): : 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(yùn)動(dòng)湍流具有非定常的、三維的、周期性的漩渦運(yùn)動(dòng)特征，即脈動(dòng)特征，能夠增強(qiáng)動(dòng)量摻混、熱量傳特征，即脈動(dòng)特征，能夠增強(qiáng)動(dòng)量摻混、熱量傳遞和剪切應(yīng)力。遞和剪切應(yīng)力。湍流脈動(dòng)在空間上和時(shí)間上都是隨機(jī)的，但是湍湍流脈動(dòng)在空間上和時(shí)間上都是隨機(jī)的，但是湍流脈動(dòng)量的統(tǒng)

2、計(jì)平均卻能展示其主要輸運(yùn)機(jī)理。流脈動(dòng)量的統(tǒng)計(jì)平均卻能展示其主要輸運(yùn)機(jī)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(jí) (after Richardson, 1922)能量注入耗散能量耗散渦大尺度渦能量流動(dòng)方向外流內(nèi)流沿著壁面的流動(dòng)繞物體的流動(dòng)其他一些因素也可能引發(fā)流動(dòng)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(dòng)。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(dòng)分邊界層轉(zhuǎn)捩后流動(dòng)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(dòng)層流蠕動(dòng)層流雷諾平均雷諾平均 考慮到湍流的隨機(jī)性，考慮到湍流的隨機(jī)性，18951895年年ReynoldsReynolds首首次將瞬時(shí)湍流看作為時(shí)均運(yùn)動(dòng)（描述流動(dòng)的平次將瞬時(shí)湍流看作為時(shí)均運(yùn)動(dòng)（描述流動(dòng)的平均趨勢）均趨勢）+ +脈動(dòng)運(yùn)動(dòng)（偏離時(shí)均運(yùn)動(dòng)的程度）。脈動(dòng)運(yùn)動(dòng)（偏離

4、時(shí)均運(yùn)動(dòng)的程度）。以后逐漸提出空間分解和統(tǒng)計(jì)分解等方法。以后逐漸提出空間分解和統(tǒng)計(jì)分解等方法。（1 1）時(shí)間分解法（）時(shí)間分解法（ReynoldsReynolds的時(shí)均值概念的時(shí)均值概念) ) 如果湍流運(yùn)動(dòng)是一個(gè)平穩(wěn)的隨機(jī)過程，則如果湍流運(yùn)動(dòng)是一個(gè)平穩(wěn)的隨機(jī)過程，則在湍流場中任一點(diǎn)的瞬時(shí)速度在湍流場中任一點(diǎn)的瞬時(shí)速度u可分解為時(shí)均速可分解為時(shí)均速度脈動(dòng)速度。度脈動(dòng)速度。uuu式中，時(shí)均速度定義為式中，時(shí)均速度定義為 這里取時(shí)均值的時(shí)間這里取時(shí)均值的時(shí)間T T要求遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于脈動(dòng)要求遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于脈動(dòng)運(yùn)動(dòng)的積分時(shí)間尺度。運(yùn)動(dòng)的積分時(shí)間尺度。 對于非平穩(wěn)的隨機(jī)過程，嚴(yán)格而言不能用對于非平穩(wěn)的隨機(jī)過程，嚴(yán)格而

5、言不能用時(shí)均分解法，但如果時(shí)均運(yùn)動(dòng)的特征時(shí)間遠(yuǎn)大時(shí)均分解法，但如果時(shí)均運(yùn)動(dòng)的特征時(shí)間遠(yuǎn)大于脈動(dòng)運(yùn)動(dòng)的特征時(shí)間，且當(dāng)取均值時(shí)間于脈動(dòng)運(yùn)動(dòng)的特征時(shí)間，且當(dāng)取均值時(shí)間T T遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于時(shí)均運(yùn)動(dòng)的特征時(shí)間而又遠(yuǎn)大于脈動(dòng)運(yùn)動(dòng)小于時(shí)均運(yùn)動(dòng)的特征時(shí)間而又遠(yuǎn)大于脈動(dòng)運(yùn)動(dòng)的特征時(shí)間時(shí)，時(shí)均值分解仍近似成立。的特征時(shí)間時(shí)，時(shí)均值分解仍近似成立。TTTudtTudtTuLim0011非平穩(wěn)隨機(jī)過程非平穩(wěn)隨機(jī)過程平穩(wěn)隨機(jī)過程平穩(wěn)隨機(jī)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(jī)場如果湍流場是具有空間均勻性的隨機(jī)場，則可采用空間平均法對湍流的瞬時(shí)量進(jìn)行空，則可采用空間平均法

6、對湍流的瞬時(shí)量進(jìn)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(yùn)動(dòng)既不是時(shí)間平穩(wěn)的、也不是如果湍流運(yùn)動(dòng)既不是時(shí)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(shí)運(yùn)動(dòng)進(jìn)行分解。即的瞬時(shí)運(yùn)動(dòng)進(jìn)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(dòng)值之和物理量的瞬態(tài)值定義為系綜平均值與脈動(dòng)值之和對對N-SN-S方程進(jìn)行系綜平均，可以得到方程進(jìn)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(dòng)中，勢流流速和壓強(qiáng)在整個(gè)平板邊界層流動(dòng)中，勢流流速和壓強(qiáng)在整個(gè)流場中均為常數(shù)。當(dāng)邊界層雷諾數(shù)流場中均為常數(shù)。當(dāng)邊界層雷諾數(shù) 達(dá)到臨界值后達(dá)到臨界值后，邊界層流動(dòng)將可能由層流轉(zhuǎn)變?yōu)橥牧?。湍流邊，邊界層流?dòng)將可能由層流轉(zhuǎn)變?yōu)橥牧鳌Ｍ牧鬟吔鐚又械牧魉俜植?、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(dòng)中又

8、因固體壁面的光滑或粗糙而使得流動(dòng)層流動(dòng)中又因固體壁面的光滑或粗糙而使得流動(dòng)情況發(fā)生變化。情況發(fā)生變化。湍流平板邊界層流動(dòng)是一種基本的流動(dòng)現(xiàn)象湍流平板邊界層流動(dòng)是一種基本的流動(dòng)現(xiàn)象，對于航空、造船、化工、水力機(jī)械和水工建筑，對于航空、造船、化工、水力機(jī)械和水工建筑物的設(shè)計(jì)都有重要的意義。物的設(shè)計(jì)都有重要的意義。 像圓管湍流一樣，湍流平板邊界層流動(dòng)也像圓管湍流一樣，湍流平板邊界層流動(dòng)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(dòng)發(fā)生在由固體邊界所包圍同。圓管湍流是流動(dòng)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(dòng)則是流動(dòng)發(fā)生在某一固體壁而平板邊界層流動(dòng)則是流動(dòng)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