1.1湍流的特征

1 1湍流的特征 什么是湍流 湍流现象 杂乱 随机 无序 达芬奇描绘的湍流 火山爆发 什么是湍流 湍流的定义 Von Karman和I GTaylor对湍流的定义 湍流是流体和气体中出现的一种无规则流动现象 当流体流过固体边界或相固流体相互流过时会产生湍流 Hinze对湍流的定义为 只提不规则运动不全面 湍流的各个量在时间和空间上表现出随机性 周培源 湍流为一种不规则的涡旋 eddy 运动 到目前为止 科学界还无法给出湍流的严格的科学定义 湍流的主要特征 1 不规则性 Irregularity 这是所有湍流的特性 从动力学的观点来看 湍流必定是不可预测的 研究湍流大多是用统计的方法 2 扩散性 Diffusivity 这是湍流的另一个重要性质 它加速流体混合 增加动量 热 质量交换的速率 如果某种流动虽然是随机的 但是它在周围的流体中不出现扩散现象 那么肯定不是湍流 例如喷气式飞机的尾迹 湍流具有比分子运动强得多的扩散能力 3 大雷诺数 Largepeynoldsnumbers 湍流是一种在大雷诺数条件下才出现的现象 Re越高 层流流动变得不稳定而出现湍流 随机性和非线性特性使湍流方程的求解相当棘手 4 三维涡旋脉动 Three dimensionalvorticityfluctuations 湍流是以高频脉动涡旋为特征的有旋三维运动 因此 涡旋动力学在湍流种类中起着至关重要的作用 如果速度脉动是二维的 涡旋脉动将不能保持 涡旋拉伸是不可能存在于二维的 例如大气中二维的龙卷风不是湍流运动 湍流的主要特征 5 耗散性 Dissipation 湍流运动由于分子粘性作用总要耗散能量 只有不断从外部供给能量 湍流才能维持 随机运动 比如重力波 声波都不是湍流 因为它们的粘性耗散很小 随机波和湍流的本质区别是有无耗散 6 连续性 Continuum 湍流是一种连续介质的运动现象 即使最小尺度的湍流也远远大于任何的分子长度尺寸 因此满足连续介质力学的基本规律 例如N S方程 7 流动特性 Flowcharacteristics 湍流不是流体的特性 而是流体运动的特质 它的主要特点不是由分子控制的 不同的流体其湍流特征 依赖于外部条件 如边界条件和初始条件 往往也不一样 例如边界层湍流与尾迹湍流 所以工程上很难对湍流进行统一的模式处理 但是湍流的一些本质特征是普适的 寻找这些普遍规律正是湍流理论研究的中心任务 湍流的主要特征 资料 8 记忆特性 相关性 湍流运动在不同的时刻或空间不同点上并不是独立的 而是有相互关联 但这种关联随着时间间隔或空间距离的增大而变小 最后趋近于零 9 间歇性 内间歇 充分发展的湍流场中某些物理量 特别是高阶统计量 并不是在空间 或时间 的没一点上都存在的 即有奇异性 外间歇 指湍流区与非湍流区边界的时空不确定性 例如积云与蓝天之间的界面 间歇现象是近代湍流研究的重大发现之一 目前是湍流理论研究的前沿课题 10 猝发与拟序结构 这也是近代湍流研究的重大发现 试验表明 在湍流混合层和剪切湍流边界层中存在大尺度的相干结构和猝发现象 说明湍流不是完全无秩序 无内部结构的运动 这促使人们改变了对湍流的某些传统观念 从层流到湍流 一 从层流到湍流CorssinandKarweit1969 从层流到湍流Frisch 1995 从层流到湍流 二 Reynolds数 层流 湍流的判据U 特征速度L 特征尺度UL 外力v 分子粘性力v 内力