湍流的研究进展

湍流的研究进展

XXX

（XXX大学化工学院，青岛 266042）

摘要：本文对一百多年来湍流研究的进展作了简要回顾,并概述了湍流产生的原因及湍流对流体造成的影响，从不同的方向阐述了当今流体湍流的研究成果，展现了湍流研究的深入对于科学技术与社会发展产生的重要作用，展望了对于湍流研究的前景,并对湍流研究的发展提出了一些建议和设想。

关键词：湍流;湍流模式;流体湍流；湍流强度；

The Turbulence of Research Progress

XXXXX

(Qingdao University of Science and Technology, Qingdao 266042)

Abstract: Stupid hundred years Turbulence Research progress made brief review and an overview of the the turbulence causes and turbulent fluid caused today's fluid turbulence research, elaborated from a different direction, to show the turbulentdepth study of the important role of science and technology and social development, the future prospects for turbulence research, development and turbulence research has made some suggestions and ideas.

Keywords: Turbulence; Turbulence models; Fluid turbulence; Turbulence intensity;

一、湍流研究的历史进程

人类很久前就已经观察到湍流运动了，但对它系统地进行研究则仅仅有一百多年的历史。经过一百多年的研究工作，人们的认识日益深化, 预测方法不断改进。回顾一下湍流研究取得进展的历程对于进一步揭示这一十分复杂流动现象是有益的。

涡团粘度概念首先是由波希尼斯克（Boussinesq）于1877年提出的，他的观点是湍流是一团杂乱无章的涡团。而现代湍流理论的创始人O.Reynolds则认为，湍流是由层流不稳定性发展起来的。这两位湍流研究的先驱者对湍流的认识有所不同。

本世纪二十年代湍流研究取得了巨大进展，有电子管补偿线路的热线风速计为湍流实验研究提供了有效的手段。

从四十年代到六十年代末湍流研究在理论和实验两方面都没有很大的突破。但是应用热线风速计测量各种湍流特性的资料大大充实了湍流的数据库。

六十年代末以后, 湍流研究又出现了一个新高潮，切变湍流中拟序结构的发现,复杂的湍流模式的建立和发展。湍流的直接数值模拟的尝试以及在方程中发现奇异吸引子或其它混沌现象的探索是近二十多年来湍流研究中的重大突破。

二、湍流的特点、起因及表征

2.1湍流的特点

层流从宏观上来说是一种有规则的流体流动，即流体的质点是有规则地层层

向下游流动；而湍流则是杂乱无章地在各个方向上以大小不同的流速运动，流体的质点强烈的混合，但总的或平均的流动方向还是向前的。流体质点的这种不规则运动，使得其除在主流方向运动之外还存在各个方向的附加脉动。因此，质点的脉动是湍流的最基本的特点。

湍流的另一特点是在与流动方向垂直的方向上，流体的速度分布较层流均

匀，而在管壁附近，其速度梯度又较层流时陡峭。

2.2湍流的起因

由层流变为湍流必须具备两个条件：

（1） 旋涡的形成

（2） 形成后的旋涡脱离原来的流层或流束进入附近的流层或流束。

只有符合上述两条，才能说流动已变为湍流了。

旋涡的形成又取决于一些基本因素：

（1）流体的粘性，无粘性的流体为理想流体，不会出现旋涡。

（2）流体的波动。

2.3湍流的表征

(一)时均量和脉动量

针对流速而言可将湍流中任何一个质点的速度向量分解为如下两个部分：一

个是时均速度分量，或称为平均速度分量，它不随时间变化。另一个是脉动速度分量，它在时均速度分量的上下波动着。

时均速度与瞬时速度之间的关系为：

（二）湍流强度

从统计学的观点看，某一点的脉动速度随时间的变化可作为湍动程度的一种

衡量，脉动速度与平均速度的比值可视为该点流体质点的湍动强度。考虑到 可正可负，故取其平均根值（算术平均值）。

这一方根脉动速度与时均速度的比值即表示湍动强度。 三、湍流时的运动方程

前面导出的N －S 方程和连续性方程均可适用于湍流，但是由于其中的 的复杂性，使得实际上几乎不可能应用这两个方程来解决湍流问题。

为此，雷诺以时均量和脉动量之和来代替方程中原来的瞬时量，并对方程两侧各项取时均值的方法导出可以应用于湍流的运动方程，这个方法称为雷诺转换，所导出的方程称雷诺方程。

θθθd u u x x ?=01()

2'2'

2'2'31z y x u u u u ++=

如导出的连续性方程为：

x 方向的N —S 方程：

显然该方程较原来的N －S 方程多出了几项。

为附加的时均应力。称为雷诺应力，是湍流中所有的。

雷诺应力较粘性应力大得多，对湍流而言，可以忽略粘性应力。

四、湍流的半经验理论和统计理论

湍流的控制方程是N-S 方程,但和层流相比,方程不封闭。为满足工程需要发展了一系列的以普朗特混合长理论为代表的湍流半经验理论或早期模式理论。这种理论虽然对于增进湍流机理的了解没有提供更多的贡献, 但对解决工程实际问题却起了重大的作用。半经验理论是一种唯像理论,并不涉及湍流内部机理。以速度分布公式为例, 半经验理论的速度分布公式大致有对数型和指数型。对数型速度分布得到的假定是充分发展的剪切湍流中主流区(不含边界层的) 的流速梯度和分子粘性无关, 指数型( 或渐近指数型) 则假定分子粘性不能忽两种类型的流速分布公式在工程实践中都获得了非常广泛的应用。半经验理论的一个发展方向是吸收统计理论的成果, 用统计理论的精细成果丰富半经验理论不足并保留便于应用的优点。

湍流的统计理论的目标则是从最基本的物理守恒定律——N-S 方程和连续性方程出发，探讨湍流的机理。理查逊-柯尔莫哥洛夫湍流图像部分被实验所证实。统计理论中湍流的能量传递关系被更符合实际的U .Frisch 等所提出的模型所代替。湍流统计理论历时半个多世纪的发展, 经泰勒、陶森德等人的努力, 取得丰硕的成果, 但仍不能绕过封闭性的困难, 所得成果都还是很不完善的。湍流统计理论的重要性目前已有所下降。我国周培源等提出了均匀各向同性湍流的准相似性条件以及相应均匀各向同性湍流的涡旋结构统计理论并得到实验的验证 , 进一步将在均匀各向同性湍流中得到的准相似性条件推广到一般的剪切湍流中,然后对关联方程的耗散项作出假定, 利用逐级近似方法发展了湍流的统计理论 , 所得结果部分经实验证实。文采用逐级迭代法对湍流平均运动方程和脉动速度关联方程进行求解, 解决了以往求高阶脉动关联函数时须联立求解一系列不同阶脉动速度关联方程所带来的方程不封闭性。统计理论由研究均匀各向同性湍流到研究一般的剪切湍流是一个巨大的进步, 但这种探索毕竟刚刚起步, 有些困难目前还难以克服。虽然用统计理论方法封闭湍流方程组似乎难似登天, 但统计学派所得的成果和所用的方法对后来湍流的研究有深远的影响。

0=??+??+??z u y u x u z y x ()()()

''''

2'2x z x z zx x y y x yx x x xx x u u u u z u u u u y u u x u ρρτρρτρρτρθρ--??+--??+--??+X =??

五、湍流研究的前景

1. 湍流是非线性复杂系统研究的基础学科

世纪之交科学的发展，已越来越明显地表明，人类对非线性系统和复杂性的认识上正经历着巨大的飞跃，但在研究方法上还需要有更大的突破。许多与国民经济发展密切相关的重大科学问题（如航空航天工业中的控制问题，灾害性气象气候的预报问题等）都涉及到多尺度多层次的复杂系统。对湍流这一世纪性难题的研究，曾经直接引发了非线性科学与混沌学的诞生和发展。20世纪90年代，我国旅美学者余振苏教授提出的湍流层次结构理论，在概念上和方法上对多尺度多层次的湍流系统提出了崭新的见解。佘振苏教授介绍了这几年湍流层次结构理论在国际湍流界引起广泛关注及获得大量实验验证的情况，引起广大青年学者的浓厚兴趣。大家一致认为，湍流研究正在不断涌现新思想、新思路，湍流研究的开拓必将带动非线性科学的进一步发展。我国的湍流研究需要进一步加强协作，互相支持，在一些重大湍流问题上凝聚力量，必将有所成就，并带动一批相关学科的发展。

2. 湍流数值模拟的研究是重点

湍流数值模拟是进一步加深对湍流本质认识的有效工具。直接数值模拟为湍流模式的建立提供依据，而最有实际应用前景的是大涡模拟：应集中力量开发适应于复杂流动的大涡模拟算法。

我国青年学者有必要在新的湍流物理思想的指导下，开发研究新型的湍流模拟计算方法，并与工程科学及环境科学的问题接轨。湍流数值模拟计算是连接湍流理论与应用的桥梁。计算机工业的发展，为我们提供了良好的条件。在未来的数年中，建设若干个湍流数值研究中心，不但是必要的，也是可行的。

3. 亟须加强湍流实验研究

尽管我国湍流实验研究有一些设备，有一定的基础，但实验研究队伍的年轻化迫在眉睫。没有稳定、优秀的湍流实验队伍，我国的湍流研究将会在理论的深入发展与应用上遇到巨大的阻力，对把湍流研究成果转向生产，为经济建设服务也将无法实现。

六、结语

综上所述，湍流是流体力学中的一大难题。上面概要评述说明近一百年来湍流的研究, 在应用方面取得很大进展。另一方面我们不能低估湍流现象的复杂性, 正如近百年来的进展是理论家、实验家和工程师共同努力的结果, 在进一步探索这一难题时, 仍需要有一支精干的联合大军, 集中近代数学、物理、计算技术和工程界的智慧和技巧, 才能攻克这个堡垒。

参考文献

1.陈涛、张国亮主编《化工传递过程基础》第三版化学工业出版社.2008.

2.张兆顺、忻鼎定《湍流研究的现状和进展》

3.刘兆存、金忠青《湍流理论若干问题研究进展》

4.是勋刚《湍流》天津:天津大学出版社.1994.

5. 高智《简化N-S 方程的结构及内涵》中国科学( A) , 1988.

6. 符松《湍流模式—研究现状与发展趋势》

7. 陈学生、陈在礼等《湍流减阻研究的进展与现状》

8. 第41次“青年科学家论坛”《湍流研究最新进展》

9. 吴望一《流体力学》（下册）北京大学出版社.1983

10.沙庆云《传递原理》大连理工大学出版社.2003.

第四章 层流流动与湍流流动

第四章层流流动及湍流流动 由于实际流体有粘性，在流动时呈现两种不同的流动形态：层流流动及湍流流动，并在流动过程中产生阻力。 对可压缩流体，阻力使流体受压缩。 对不可压缩流体，阻力使流体的一部分机械能转化为热能散失，这个转变过程不可逆。散失的热量称为能量损失。 单位质量（或单位体积）流体的能量损失，称为水头损失（或压力损失），并以h w（或Δp）表示。 本章首先讨论流体的流动状态，再对粘性流体在两种流动状态下的能量损失进行分析。 第一节流动状态及阻力分类 一、流体的流动状态 1．雷诺试验：1882年雷诺作了如教材45页图4-1所示的流体流动形态试验。 试验装置：在圆管的中心用细玻璃管向圆管的水流中引入红色液体的细流。 试验情况： （1）当水的流速较小时（图4-1a），红色液体细流不与周围水混和，自己保持直线形状与水一起向前流动。 （2）如把水的流速逐渐增大，至一定程度时，红色细流便开始上下振荡，呈波浪形弯曲（如图4-1b）。 （3）当再把水流速度增大，红色细流的振荡加剧，至水的流速增大至某一速度后，圆管中红色细流消失，红色液体混入整个圆管的水中（如图4-1c）。 试验的三种不同状况说明： （1）对（图4-1a）所示，表明水的质点只有向前流动的位移，没有垂直水流方向的移动，即各层水的质点不相互混和，都是平行地移动的，这种流动称为层流； （2）对（图4-1b）所示，说明流动的水质点已开始有垂直水流方向的位移，离开圆管轴线较远的部位水的质点仍保持平行流动的状态； （3）对（图4-1c）所示，说明流动中水的质点运动已变得杂乱无章，各层水相互干扰，这种流动形态称为紊流或湍流。

2．雷诺数： 流体之所以出现不同的流动形态，主要由流体质点流动时其本身所具有的惯性力和所受的粘性力的数值比例决定。 惯性力相对较大时，流体趋向于作紊流式的流动； 粘性力则起限制流体质点作纵向脉动的作用，遏止紊流的出现。 雷诺根据此原理提出了一个判定流体流动状态的无量纲参数——雷诺数（Re）： 对在圆管中流动的流体而言，雷诺数的表现形式为 v：圆管内流体的平均流速（m/s）；ε：动力粘度（Pa·s）。 D：圆管直径（m）；ν：运动粘度（m2/s）。 实验确定，流体开始由层流形态向紊流转变时，称为下临界雷诺数， Re=2100～2320；当Re＞10000～13800时流体的流动形态为稳定的紊流，称上临界雷诺数；当Re=（2100～2320）～（10000～13800），流动形态为过渡状态，可以是紊流或层流。临界雷诺数随体系的不同而变化，即使同一体系，它也会随其外部因素（如圆管内表面粗糙度和流体中的起始扰动程度等）的不同而改变，所以临界雷诺数为一个范围数。 对于非圆管中的流体流动，雷诺数的表现形式为 R：水力半径（m）；A：流体的有效截面积（m2）； x：截面上与流体接触的固体周长（湿周）（m）。 （但水力半径R不是圆截面的几何半径r，如充满流体圆管的水力半径为： ） 这里，取下临界雷诺数为500。对工程中常见的明渠水流，下临界雷诺数常取300。 当流体绕过固体（如绕过球体）流动时，出现层状绕流（物体后无旋涡）和紊状绕流（物体后形成旋涡）的现象，此时雷诺数用下式计算：

定义湍流参数

FLUENT6.1全攻略 6 定压强跳跃、流动方向、环境总压和总温。 （9）出口通风条件：在出口处给定损失系数、流动方向、环境总压和总温。 （10）排气风扇条件：在假设出口处存在排气风扇的情况下，给定出口处的压强跳跃和静压。 8.2.2 定义湍流参数 在流场的入口、出口和远场边界上，用户需要定义流场的湍流参数。在FLUENT 中可以使用的湍流模型有很多种。在使用各种湍流模型时，哪些变量需要设定，哪些不需要设定以及如何给定这些变量的具体数值，都是经常困扰用户的问题。本小节只讨论在边界上设置均匀湍流参数的方法，湍流参数在边界上不是均匀分布的情况可以用型函数和UDF （用户自定义函数）来定义，具体方法请参见相关章节的叙述。 在大多数情况下，湍流是在入口后面一段距离经过转捩形成的，因此在边界上设置均匀湍流条件是一种可以接受的选择。特别是在不知道湍流参量的分布规律时，在边界上采用均匀湍流条件可以简化模型的设置。在设置边界条件时，首先应该定性地对流动进行分析，以便边界条件的设置不违背物理规律。违背物理规律的参数设置往往导致错误的计算结果，甚至使计算发散而无法进行下去。 在Turbulence Specification Method （湍流定义方法）下拉列表中，可以简单地用一个常数来定义湍流参数，即通过给定湍流强度、湍流粘度比、水力直径或湍流特征长在边界上的值来定义流场边界上的湍流。下面具体讨论这些湍流参数的含义，以保证在设置模型时不出现违背流动规律的错误设置： （1）湍流强度（Turbulence Intensity ） 湍流强度I 的定义如下： avg u w v u I 2 22'''++= （8－1） 上式中'u 、'v 和'w 是速度脉动量，avg u 是平均速度。 湍流强度小于1％时，可以认为湍流强度是比较低的，而在湍流强度大于10％时，则可以认为湍流强度是比较高的。在来流为层流时，湍流强度可以用绕流物体的几何特征粗略地估算出来。比如在模拟风洞试验的计算中，自由流的湍流强度可以用风洞的特征长度估计出来。在现代的低湍流度风洞中，自由流的湍流强度通常低于0.05%。 内流问题进口处的湍流强度取决于上游流动状态。如果上游是没有充分发展的未受扰流动，则进口处可以使用低湍流强度。如果上游是充分发展的湍流，则进口处湍流强度可以达到几个百分点。如果管道中的流动是充分发展的湍流，则湍流强度可以用公式（8－2）计算得到，这个公式是从管流经验公式得到的：

FLUENT中湍流参数的定义

FLUENT 中湍流参数的定义 2011-07-28 10:46:03| 分类：默认分类|举报|字号订阅 流场的入口、出口和远场边界上，用户需要定义流场的湍流参数。在FLUENT 中可以使用的湍流模型有很多种。在使用各种湍流模型时，哪些变量需要设定，哪些不需要设定以及如何给定这些变量的具体数值，都是经常困扰用户的问题。本小节只讨论在边界上设置均匀湍流参数的方法，湍流参数在边界上不是均匀分布的情况可以用型函数和UDF（用户自定义函数）来定义，具体方法请参见相关章节的叙述。 在大多数情况下，湍流是在入口后面一段距离经过转捩形成的，因此在边界上设置均匀湍流条件是一种可以接受的选择。特别是在不知道湍流参量的分布规律时，在边界上采用均匀湍流条件可以简化模型的设置。在设置边界条件时，首先应该定性地对流动进行分析，以便边界条件的设置不违背物理规律。违背物理规律的参数设置往往导致错误的计算结果，甚至使计算发散而无法进行下去。 在Turbulence Specification Method （湍流定义方法）下拉列表中，可以简单地用一个常数来定义湍流参数，即通过给定湍流强度、湍流粘度比、水力直径或湍流特征长在边界上的值来定义流场边界上的湍流。下面具体讨论这些湍流参数的含义，以保证在设置模型时不出现违背流动规律的错误设置： （1）湍流强度（Turbulence Intensity）

湍流强度I的定义为： I=Sqrt(u’*u’+v’*v’+w’*w’)/u_avg (8-1) 上式中u',v' 和w' 是速度脉动量，u_avg是平均速度。 湍流强度小于1％时，可以认为湍流强度是比较低的，而在湍流强度大于10％时，则可以认为湍流强度是比较高的。在来流为层流时，湍流强度可以用绕流物体的几何特征粗略地估算出来。比如在模拟风洞试验的计算中，自由流的湍流强度可以用风洞的特征长度估计出来。在现代的低湍流度风洞中，自由流的湍流强度通常低于0.05%。 内流问题进口处的湍流强度取决于上游流动状态。如果上游是没有充分发展的未受扰流动，则进口处可以使用低湍流强度。如果上游是充分发展的湍流，则进口处湍流强度可以达到几个百分点。如果管道中的流动是充分发展的湍流，则湍流强度可以用公式(8-2)计算得到，这个公式是从管流经验公式得到的： I=u’/u_avg=0.16*Re_DH^-0.125 (8-2) 其中Re_DH是Hydraulic Diameter（水力直径）的意思，即式(8-2)中的雷诺数是以水力直径为特征长度求出的。 （2）湍流的长度尺度与水力直径 湍流能量主要集中在大涡结构中，而湍流长度尺度l则是与大涡结构相关的物理量。在充分发展的管流中，因为漩涡尺度不可能大于管道直径，所以l 是受到管道尺寸制约的几何量。湍流长度尺度l 与管道物理尺寸L 关系可以表示为： l = 0.07L (8-3)

湍流的研究进展

湍流的研究进展 XXX （XXX大学化工学院，青岛 266042） 摘要：本文对一百多年来湍流研究的进展作了简要回顾,并概述了湍流产生的原因及湍流对流体造成的影响，从不同的方向阐述了当今流体湍流的研究成果，展现了湍流研究的深入对于科学技术与社会发展产生的重要作用，展望了对于湍流研究的前景,并对湍流研究的发展提出了一些建议和设想。 关键词：湍流;湍流模式;流体湍流；湍流强度； The Turbulence of Research Progress XXXXX (Qingdao University of Science and Technology, Qingdao 266042) Abstract: Stupid hundred years Turbulence Research progress made brief review and an overview of the the turbulence causes and turbulent fluid caused today's fluid turbulence research, elaborated from a different direction, to show the turbulentdepth study of the important role of science and technology and social development, the future prospects for turbulence research, development and turbulence research has made some suggestions and ideas. Keywords: Turbulence; Turbulence models; Fluid turbulence; Turbulence intensity; 一、湍流研究的历史进程 人类很久前就已经观察到湍流运动了，但对它系统地进行研究则仅仅有一百多年的历史。经过一百多年的研究工作，人们的认识日益深化, 预测方法不断改进。回顾一下湍流研究取得进展的历程对于进一步揭示这一十分复杂流动现象是有益的。 涡团粘度概念首先是由波希尼斯克（Boussinesq）于1877年提出的，他的观点是湍流是一团杂乱无章的涡团。而现代湍流理论的创始人O.Reynolds则认为，湍流是由层流不稳定性发展起来的。这两位湍流研究的先驱者对湍流的认识有所不同。 本世纪二十年代湍流研究取得了巨大进展，有电子管补偿线路的热线风速计为湍流实验研究提供了有效的手段。 从四十年代到六十年代末湍流研究在理论和实验两方面都没有很大的突破。但是应用热线风速计测量各种湍流特性的资料大大充实了湍流的数据库。 六十年代末以后, 湍流研究又出现了一个新高潮，切变湍流中拟序结构的发现,复杂的湍流模式的建立和发展。湍流的直接数值模拟的尝试以及在方程中发现奇异吸引子或其它混沌现象的探索是近二十多年来湍流研究中的重大突破。

fluent湍流设置

湍流边界条件设置 在流场的入口、出口和远场边界上，用户需要定义流场的湍流参数。在FLUENT 中可以使用的湍流模型有很多种。在使用各种湍流模型时，哪些变量需要设定，哪些不需要设定以及如何给定这些变量的具体数值，都是经常困扰用户的问题。本小节只讨论在边界上设置均匀湍流参数的方法，湍流参数在边界上不是均匀分布的情况可以用型函数和UDF（用户自定义函数）来定义，具体方法请参见相关章节的叙述。 在 大多数情况下，湍流是在入口后面一段距离经过转捩形成的，因此在边界上设置均匀湍流条件是一种可以接受的选择。特别是在不知道湍流参量的分布规律时，在边 界上采用均匀湍流条件可以简化模型的设置。在设置边界条件时，首先应该定性地对流动进行分析，以便边界条件的设置不违背物理规律。违背物理规律的参数设置 往往导致错误的计算结果，甚至使计算发散而无法进行下去。 在Turbulence Specification Method （湍流定义方法）下拉列表中，可以简单地用一个常数来定义湍流参数，即通过给定湍流强度、湍流粘度比、水力直径或湍流特征长在边界上的值来定义流场边界上的湍流。下面具体讨论这些湍流参数的含义，以保证在设置模型时不出现违背流动规律的错误设置： （1）湍流强度（Turbulence Intensity） 湍流强度I的定义为：I=Sqrt(u’*u’+v’*v’+w’*w’)/u_avg(8-1) 上式中u',v' 和w' 是速度脉动量，u_avg是平均速度。 湍流强度小于1％时，可以认为湍流强度是比较低的，而在湍流强度大于10％时，则可以认为湍流强度是比较高的。在来流为层流时，湍流强度可以用绕流物体的几何特征粗略地估算出来。比如在模拟风洞试验的计算中，自由流的湍流强度可以用风洞的特征长度估计出来。在现代的低湍流度风洞中，自由流的湍流强度通常低于0.05%。 内流问题进口处的湍流强度取决于上游流动状态。如果上游是没有充分发展的未受扰流动，则进口处可以使用低湍流强度。如果上游是充分发展的湍流，则进口处湍流强度可以达到几个百分点。如果管道中的流动是充分发展的湍流，则湍流强度可以用公式(8-2)计算得到，这个公式是从管流经验公式得到的： I=u’/u_avg=0.16*Re_DH^-0.125 (8-2) 其中Re_DH是Hydraulic Diameter（水力直径）的意思，即式(8-2)中的雷诺数是以水力直径为特征长度求出的。 （2）湍流的长度尺度与水力直径 湍流能量主要集中在大涡结构中，而湍流长度尺度l则是与大涡结构相关的物理量。在充分发展的管流中，因为漩涡尺度不可能大于管道直径，所以l 是受到管道尺寸制约的几何量。湍流长度尺度l 与管道物理尺寸L关系可以表示为： l = 0.07L (8-3) 式中的比例因子0.07 是充分发展管流中混合长的最大值，而L则是管道直径。在管道截面不是圆形时，L可以取为管道的水力直径。 湍 流的特征长取决于对湍流发展具有决定性影响的几何尺度。在上面的讨论中，管道直径是决定湍流发展过程的唯一长度量。如果在流动中还存在其他对流动影响更大 的物体，比如在管道中存在一个障碍物，而障碍物对湍流的发生和发展过程起着重要的干扰

中国湍流研究的发展史_中国科学家早期湍流研究的回顾

中国湍流研究的发展史 I 中国科学家早期湍流研究的回顾 黄永念 北京大学力学与工程科学系，湍流与复杂系统国家重点实验室，北京，100871 摘要总结了二十世纪三十年代到六十年代中国老一辈科学家（包括物理学家，力学家）周培源、王竹溪、张国藩、林家翘、谢毓章、张守廉、黄授书、胡宁、柏实义、陈善模、庄逢甘、陆祖荫、李政道、蔡树棠、是勋刚、李松年、谈镐生、包亦和等诸位先生的湍流研究工作。介绍他们对流体力学中最为困难的湍流问题所作出的努力和贡献。 关键词湍流统计理论，能量衰变规律，均匀各向同性湍流，剪切湍流。 引言 湍流一直被认为是物理学中最难而又久未解决的基础理论研究的一个课题。从1883年Reynolds圆管湍流实验研究算起已经跨越了两个世纪，湍流问题仍未得到解决。在跨入二十一世纪时，很多从事湍流研究工作的科学家都在思考这样的问题：二十世纪的湍流研究留给我们哪些宝贵财富？二十一世纪又应该如何面对这个老大难问题？Yaglom在2000年法国举行的一次湍流讲习班上回顾了二十世纪的湍流理论发展过程[1]，指出了其中两个最重要的成就：一个是Kolmogorov的局部均匀各向同性湍流理论，另一个是von Karman的湍流平均速度的对数分布律。同时又一次向世人介绍著名科学家Lamb在临终前对解决湍流问题的悲观看法。由于中国与世界各国在文字和语言上的差异和长期缺乏国际间的交流，历次湍流研究工作的总结和回顾中，人们往往忽略了中国科学家的作用。只有周培源教授在1995年流体力学年鉴上发表了“中国湍流研究50年”才打破了这种隔阂[2]。但是这篇文章也只局限于周培源教授率领的北京大学研究组所做的系列研究工作。实际上有很多中国科学家在上一世纪中做了非常出色的工作。本文仅就半个世纪前的三十年代到六十年代他们的湍流研究工作做一个简单的介绍，目的是要引起大家关注中国科学家的湍流研究和对湍流研究所做的贡献。 中国科学家的湍流研究工作可以分成两个方面，一是在国内极其困难的条件下坚持开展的研究工作，这方面的工作国际上鲜为人知。另一方面是在国外开展的研究工作，这部分工作国内也不很熟悉。因此，本文将把他们的不懈努力介绍给大家。 胡非在1995年发表的专著《湍流，间隙性与大气边界层》中曾专门介绍了中国学者的湍流研究工作[3]，但他的介绍还不够全面，特别是缺少对早期工作的报道。本文可以弥补其中的不足。 1 三十年代的研究工作 在我国最早发表湍流论文的是当时在清华大学的王竹溪先生。他在周培源先生的指导下

湍流的统计特性及对激光大气传输的影响

第4章湍流的统计特性及对激光大气传输的影响分析 激光大气传输湍流效应本质上就是光在湍流大气中的传播问题。20世纪50年代前苏联学者Tatarskii引入Kolmogorov和Obukhov发展的湍流统计理论，求解湍流大气中波传播方程，取得的一些理论结果相当好地解释了在此以前所取得的实验结果，从而奠定的光波在湍流大气中传播的理论基础。然而，由于激光在湍流大气中的传播是一个十分复杂的随即非线性过程，特别是大气湍流存在的间歇性，对激光传输有着难以估计的影响。 4.1大气湍流的成因 在大气中，任一点的大气运动速度的方向和大小无时无刻不发生着不规则变化，产生了各个大气分子团相对于大气整体平均运动的不规则运动，这种现象称为大气湍流。通常情况下大气都处于湍流状态，大气的随机运动产生了大气湍流，由于大气湍流的存在，大气温度和折射率也时刻发生着不规则的变化。形成大气湍流的原因大致有四点。第一，太阳的照射造成的大气温度差，太阳辐射对地表不同地区造成加热不同;第二，地球表面对气流拉伸移位导致了风速剪切;第三，地表热辐射产生了热对流;第四，伴随着热量释放的相变过程(沉积、结晶)导致了温度和速度场变化。图4.1形象的表述了湍流的形成。

上图是英国的物理学家形chardson描绘的湍流的一个级串模型，虽然湍流的运动很复杂，但通过上图仍能对湍流有一个形象的认识。上图表示湍流含有尺度不同的湍涡，而各种能量从大尺度湍涡一步一步向小尺度湍涡传递。外界的能量传递给第一级大湍涡，由于受风剪切等因素的影响，大湍涡逐渐变得不稳定形成次级小湍涡，小湍涡再次失稳后再形成更次一级的许多小湍涡。从图中可以看出，湍涡的大小有限，最大的湍涡的尺寸大小是外尺度 L，最小的湍涡是内尺度0l。 尤其重要的是，这些大大小小的湍涡没有分散存在于大气中，而是交叉重叠的存在于大气中。 4.2 Kolmogorov-Oboukhov湍流统计理论 虽然迄今为止人们对湍流的基本物理机制尚还不十分清楚，但已形成几个公认的基本概念，包括随机性、涡粘性、级串、和标度率。随机性构成了湍流统计理论的基础；涡粘性揭示了湍流相近尺度间的相互作用行为；级串给了我们最直观、最明晰的湍流图像；标度律则成为物理上定量研究湍流问题的数学手段。 在直观的湍流现象中，Richardson首先给出了湍流的级串图：湍流中存在着不同尺度间的逐级能量传递，由大尺度湍涡向小尺度湍涡输送能量。第一级大湍涡的能量来自外界，大湍涡失稳后形成次级的小湍涡，再失稳后产生更次一级的小湍涡。在大雷诺数下，所有可能的运动模式都被激发。 基于Richardson级串模型。Kolmogorov认为在大雷诺数下，这些不同尺度的湍

雷诺试验 层流和湍流

§1.4.2流动类型与雷诺准数 现在开始介绍流体流动的内部结构。流动的内部结构是流体流动规律的一个重要方面。因为化工生产中的许多过程都和流动的内部结构密切联系。例如实际流体流动时的阻力就与流动结构紧密相关。其它许多过程，如流体的热量传递和质量传递也都如此。流动的内部结构是个极为复杂的问题，涉及面广。以下紧接着的内容只作简单的介绍，因而在许多方面只能限于定性的阐述。 1、流动类型——层流和湍流 1883年著名的雷诺实验揭示出流动的两种截然不同的型态。 雷诺实验装置如图所示： 在水箱内装有溢流装置，以维持水位稳定，水 箱的底部安装一个带喇叭型进口的直径相同的 玻璃管，管出口处装有一个阀门用来调节流量， 水箱上方安装有内有颜料的小瓶，有色液体可 经过细管子注入玻璃管内。在水流经过玻璃管 的过程中，同时把有色液体送到玻璃管以后的 管中心位置上。 雷诺实验观察到： ⑴、水流速度不大时，有色细流成一直线，与水不混合。此现象表明：玻璃管内的水的质点是沿着与管轴平行的方向作直线运动。即流体分层流动，层次分明，彼此互不混杂，掺和(唯其如此，才能使有色液体保持直线)这种流型叫层流或滞流。 ⑵、水流速度增大到某临界值时，有色细流开始抖动，弯曲，继而断裂，细流消失，与水完全混合在一起，整根玻璃管呈均匀颜色，此现象表明，玻璃管内的水的质点除了沿着管道向前运动外，各质点还作不规则的，杂乱的运动，且彼此间相互碰撞，相互混合，质点速度的大小和方向随时发生变化，这种流型叫湍流或紊流。 2、流型的判据—雷诺准数 对管流而言，影响流型的因素有，流道的几何尺寸(管径d)流动的平均速度u 和流体的物理性质(密度ρ和粘度μ)。 雷诺发现，可以将这些影响因素综合成一个无因次数群duρ/μ，作为流型的判据。此数群称为雷诺(Reynolds)数，以R e表示，即：

湍流理论若干问题研究进展

第15卷第4期水利水电科技进展1995年8月 湍流理论若干问题研究进展 刘兆存　金忠青 (河海大学　南京　210098) 摘要　本文对近年来湍流理论在某些方面的研究进展作了概要介绍,对拟序结构发现后人们对湍流内部结构的新认识和近年来发展很快的从微分方程分析角度出发对湍流机理新的探索进行了评价,说明引入混沌后在时、空演化方面对湍流机理的模拟,最后阐述了流动稳定性和层流向湍流的转捩。 关键词　湍流　N-S方程　流动结构　流动机理　封闭性 近年来,在围绕湍流结构和统计两条主线的研究工作中出现了新观点和新趋势,虽然从历史的观点来看有些可能是错的——在科学容忍的范围内,但在现阶段却是研究的主流。 1　简要回顾及发展 1.1　半经验理论和模式理论 湍流的控制方程是N-S方程,但和层流相比,方程不封闭。为满足工程需要,发展了一系列的以普朗特混合长理论为代表的湍流半经验理论或早期模式理论。这种理论虽然对于增进对湍流机理的了解没有提供更多的贡献,但对解决工程实际问题却起了重大的作用[1]。半经验理论是一种唯像理论,并不涉及湍流内部机理。以速度分布公式为例,半经验理论的速度分布公式大致有对数型和指数型。对数型速度分布得到的假定是充分发展的剪切湍流中主流区(不含边界层的)的流速梯度和分子粘性无关,指数型(或渐近指数型)则假定分子粘性不能忽略[2],两种类型的流速分布公式在工程实践中都获得了非常广泛的应用。半经验理论的一个发展方向是吸收统计理论的成果,用统计理论的精细成果丰富半经验理论不足并保留便于应用的优点,如文[3]所作的工作。 近代的模式理论在封闭湍流基本方程组时特别吸收了统计理论的成果,如二方程模型、应力通量代数模型、应力通量方程模型等。关于这方面的详细论述,将另文给出。 1.2　统计理论 湍流的统计理论的目标则是从最基本的物理守恒定律——N-S方程和连续性方程出发,探讨湍流的机理。理查逊-柯尔莫哥洛夫湍流图像部分被实验所证实。统计理论中湍流的能量传递关系被更符合实际的U. Fr isch等所提出的B-模型所代替。湍流统计理论历时半个多世纪的发展,经泰勒、陶森德等人的努力,取得丰硕的成果,但仍不能绕过封闭性的困难,所得成果都还是很不完善的。湍流统计理论的重要性目前已有所下降[1]。我国周培源等提出了均匀各向同性湍流的准相似性条件以及相应均匀各向同性湍流的涡旋结构统计理论并得到实验的验证[4],进一步将在均匀各向同性湍流中得到的准相似性条件推广到一般的剪切湍流中,然后对关联方程的耗散项作出假定,利用逐级近似方法发展了湍流的统计理论[5],所得结果部分经实验证实。文[6]采用逐级迭代法对湍流平均运动方程和脉动速度关联方程 · 12·

湍流与层流_湍流研究概述

第一篇 大气的组成与物理特性 第一章 第二章 第三章 第四章 第五章 大气的气体成份 大气中的粒子群 大气的运动、能量与构造 大气的光学特性 大气的电学特性
1

第二篇 大气湍流
粘性流体的两种形态： 层流和湍流。 层流是流体运动中较简单的状态， 普遍的却是湍流。
2

湍流研究的意义
湍流的研究与国防建设和国民经济中 的航空、船运、环境保护、气象、化工、 冶金、水利、医学等学科密切相关，如果 能掌握它的运动规律，对它进行合理的应 用和有效的控制，那么对基础研究与实际 应用将有重大的意义。
3

湍流研究的成果
人们对湍流结构、湍流边界层、湍流 剪切流、湍流的传热传质、湍流扩散、湍 流统计模型、大气湍流、晴空湍流、等离 子湍流、湍流测量等问题进行了广泛的研 究，并取得了丰硕的成果。
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本节的内容
湍流的一般定义和描述； 湍流与层流的区别； 湍流理论发展的历史； 湍流理论简介； 湍流的特点； 大气湍流的复杂性； 湍流研究技术的发展。
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湍流的一般定义和描述
1. 湍流是随机的（Reynolds，Taylor，Von Karman ，Hinze等），又具有拟序结 构。 2. 流体的湍流运动是由各种大小和涡量 不同的涡旋叠加而成的，其中最大涡 尺度与流动环境密切相关，最小涡尺 度则由粘性确定；流体在运动过程中， 涡旋不断破碎、合并，流体质点轨迹 不断变化。
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风场湍流强度的计算及其对风电机组选型

风场湍流强度的计算及其对风电机组选型的 影响 王承凯 （龙源电力集团公司） 摘要：本文从IEC61400－1风电机组安全等级标准引出了风场湍流强度这一重要参数，在分析了湍流强度的含义及其产生的原因后，针对湍流强度计算中常见的几个误区进行了分析说明，并给出了湍流强度计算时测风塔的选择原则，最后给出了有效湍流强度超标的几种处理方式。本文对于充分认识湍流强度、正确计算风场湍流强度和风电机组选型具有一定的指导意义。 关键词 风场 湍流强度 风电机组 选型 1 关于IEC61400-1 IEC61400风力发电机组系列标准由IEC（国际电工委员会）制定，内容涵盖风力发电机组的各个方面，如设计标准、安全要求、运行性能测试、载荷测试、噪声测量、电能质量、叶片测试、防雷击保护、机型认证以及远程监控系统等。其中IEC61400-1是关于风力发电机组的安全要求，由IEC第88技术委员会－风力发电机组工作组制定，是风力发电机组最基本的标准之一，其适用于扫风面积不小于40平方米的风力机。该标准具体规定了风力发电机组的设计、制造、安装、维护以及在特定环境条件下运行的安全要求，涉及到风力发电机组的各子系统，如控制和保护机构、内部电气机构、机械系统、叶轮系统、支承机构以及电气联接设备等，目的在于避免风力发电机组在寿命期内的意外损坏。 IEC61400-1目前的最新版本是2005年8月发布的第三版，其中第一版1994年发布，第二版1999年发布。现在市场上流行的大多数风力发电机组是依据IEC61400-1第二版或者第三版设计的。 2 风力发电机组的等级标准 为保证风力发电机组的安全性和长期稳定可靠运行，风力发电机组的设计需要考虑运行环境条件和电力环境的影响，这些影响主要体现在载荷、适用寿命和正常工作等几个方面。各类环境条件分为正常外部条件和极端外部条件，其中正常外部条件涉及的是长期疲劳载荷和运行状态。极端外部条件出现机会很少，但它是潜在的临界外部设计条件。风电机组载荷设计需要同时考虑这些外部条件和风力机运行模式。 为了最大限度地利用特定风场的风能资源，同时保证风力发电机组的安全可靠运行，IEC61400-1对风力发电机组进行了安全分级。 风况是风力发电机组承受的最基本的外部载荷条件，因此风电机组安全等级分类的主要参数是风况。轮毂高度处的年平均风速、湍流强度以及极端风况是IEC61400-1进行风机分类的三个主要参数，其中极端风况主要包括极端风速、极端风切变以及风速、风向的迅速变化等，而风机轮毂高度处50年一遇3秒钟极大风速或者10分钟最大风速是风机极端载荷设计的最重要参数。 湍流是一个复杂的过程，难以用简单明确的方程来表示或者预测。一般情况下，研究湍流的统计特性显得更为重要。 湍流强度（turbulence intensity，简写为TI）是指10分钟内风速随机变化幅度大小，是10分钟平均风速的标准偏差与同期平均风速的比率，是风电机组运行中承受的正常疲劳载荷，是IEC61400-1风机安全等级分级的重要参数之一。 湍流产生的原因主要有两个,一个是当气流流动时,气流会受到地面粗糙度的摩擦或者阻滞作

湍流的研究进展论文

湍流的研究进展 丁立新 （青岛科技大学） 摘要本文重点就湍流的理论研究进展作一阐述，从湍流的相干结构、表征及发展由来，到上世纪末湍流研究进展的雷诺方程，本世纪湍流的统计理论和半经验理论发展，湍流的模式理论，湍流的高级数值模拟分别论述，并为主要的工程应用做简要的介绍。 关键词湍流理论研究工程应用 Research process of turbulence Dinglixin Qingdao University of Science & technology Abstract This article focuses on the turbulence of research process as elaborated. From coherent structure of turbulence, characterization and development of turbulence to Reynolds equation about research process of turbulence on the end of the century, the development of semi-empirical theory and statistical theory of turbulence of this century, mode theory of turbulence, advanced numerical simulation of turbulence. Finally, brief description of turbulence industrial applications is suggested. Keywords Turbulence, Theoretical research of turbulence, Engineering applications 湍流是自然界和工程中最常出现的流动形态，湍流的出现将使动量、质量、能量的输送速率极大地加快，一方面造成能量消耗加快，污染物加快扩散等严重消极

珠峰北坡地区近地层大气湍流与地气能量交换特征

第21卷第12期2006年12月 地球科学进展 A DVANCE S I N E AR TH S C I ENC E V o l.21　N o.12 D e c.，2006 文章编号：1001-8166（2006）12-1293-11 珠峰北坡地区近地层大气湍流与地气能量交换特征 仲雷1，2，3，马耀明1，4，苏中波5，刘　新1，李茂善3，4，马伟强3，4，王永杰1，3 （1.中国科学院青藏高原研究所，北京　100085；2.中国气象局成都高原气象研究所高原气象开放实验室，四川　成都　610071；3.中国科学院研究生院，北京　100039；4.中国科学院寒区旱区环境与工程研究所，甘肃　兰州　730000；5. I n t er na ti o nal I n s tit u t e f o r G e o-I n f o r m a t i o n S c i e n c e a nd E a r t h O b serv a ti o n，E n sc h e de7500，t he N e t h er l ands） 摘　要：利用珠峰北坡曲宗地区连续一年的大气观测资料（2005年4月至2006年3月），分析了珠峰北坡地区近地层大气湍流宏观统计特征和西南季风爆发前后地气能量交换特征。研究表明在珠峰北坡地区M o n i n-O bukh o v相似定律同样适用。拟合得到了珠峰北坡曲宗地区近地层无因次风速分量方差以及温度和湿度归一化标准差和静力学稳定度的函数关系。研究得出曲宗地区能量平衡各分量（净辐射通量、感热通量、潜热通量和土壤热通量）以及地面加热场具有明显的季节变化和日变化规律。尤其是在西南季风的影响下，曲宗地区感热通量和潜热通量在季风爆发前后具有明显相反的变化趋势。其它特征参数（波文比和地表反射率）在西南季风爆发前后的变化规律也十分明显。 关　键　词：近地层；大气湍流；能量通量；珠峰；曲宗 中图分类号：P425.2 文献标识码：A 1　引　言 青藏高原地处我国西部，约占国土面积的四分之一，平均海拔在4000m以上。高原热力、动力作用以及地—气间的物质能量交换过程对我国、亚洲乃至全球的气候变化均有重大影响。青藏高原对大气的动力和热力作用主要是通过下垫面与大气的相互作用，并以湍流方式进行物质和能量交换而实现的。开展高原上地气系统物理过程的观测，分析确定热量、水汽等湍流参数的变化特征，将有助于改进全球气候模式和区域天气、气候模式在该地区的参数化方案。因此，对青藏高原的研究愈来愈受到中外学者的关注。20世纪50年代以来科学家进行了多次关于青藏高原的气象科学试验，如第一、第二次青藏高原大气科学实验（Q X P M E X，1979年5～8月，T I P E X，1998年5～8月），全球能量水分循环亚洲季风之青藏高原试验研究（G E W E X/G A M E-T i b e t，1996—2000年），“全球协调加强观测计划之亚澳季风青藏高原试验”（C EO P/C A M P-T i b e t，2001—2005年），积累了大量的宝贵资料，并且取得了丰硕的科研成果［1～10］。但是青藏高原特殊的地理条件和恶劣的气候环境给野外观测试验造成极大困难，使得很多试验只能在现有城市附近和交通相对便利的地区展开，不足以了解像珠穆朗玛峰（以下简称珠峰）这样的大地形对大气环流的影响。喜马拉雅山脉山体是北半球地表与对流层大气物质交换的重要通 　收稿日期：2006-10-11；修回日期：2006-10-24. *基金项目：科技部社会公益研究专项“珠穆朗玛峰地区对全球变化的响应”（编号：2005D I A3J106）；中国气象局成都高原气象研究所高原气象开放基金课题“青藏高原地表特征参数卫星遥感反演研究”（编号：L P M2006011）；中国科学院知识创新工程重要方向项目“喜马拉雅山北坡地区地面大气与对流层大气交换研究”（编号：K ZCX3-S W-231）；国家自然科学基金项目“西藏高原能量水循环降雨共同观测研究”（编号：40520140126）资助. 　作者简介：仲雷（1979-），男，安徽蚌埠人，博士生，主要从事大气边界层观测和卫星遥感应用研究.E-m a i l：z hongl＠i t pca s. a c. c n *通讯作者：马耀明（1964-），男，山西夏县人，研究员，博导，主要从事陆面过程和遥感应用研究.E-m a i l：y m m a ＠i t pcas. a c. c n

湍流强度对基底作用力的影响

湍流强度对风振系数中各参数影响 1.风振系数参数分析 12荷载规范中给出了高耸结构第一阶阵型为 234 41233z z z z H H H ???????=-+ ? ? ??????? (1) 在风振系数表达式子中 1012z gI B β=+ (2) 有关，而102z gI B 是空间位置关系，和脉动风特性相关的量。现在讨论湍流强度的提高对风振系数的影响。 12荷载规范中，在B 类地区湍流强度为0.15 0.1410z z I -?? = ? ?? 06荷载规范中，在B 类地区湍流强度为0.16 0.11410z z I -?? =? ? ?? B 类地区风压系数都取0.32 10z z u ?? = ? ?? 2.湍流强度改变对背景分量的影响 12荷载规范上给出的z B 计算写成离散形式为 21 z i i i Bz h φ== ∑ (3) 在三百米高度范围内，每10米一段，分别求()()z z I I 新旧和1010(2g )(2)z z I B gI B 新 旧 ，其结果见表1 表格 1 湍流强度的影响

图 1 湍流强度比值和风振系数变化值比值（300m高度） 同上述计算方法，分别计算200m和100m高度的建筑，湍流强度的比值如下

图 2 湍流强度比值和风振系数变化值比值（200m高度） 图 3 湍流强度比值和风振系数变化项比值（100m高度） 3.基地反力和弯矩分析 某一烟囱高250m，受风宽度18m，第一频率为0.159，阻尼比为0.05，基本风压为 00.4 w ，用新版规范计算在湍流强度变化的情况下，风振系数和基底反力的对比。解：计算得出

浅谈湍流的认识与发展

浅谈湍流的认识与发展 摘要：本文结合流体力学课程的学习以及对湍流相关书籍的阅读，阐述个人对湍流运动的发展、特点、性质的理解。湍流作为“经典物理学最后的疑团”，人们不断地进行探索，建立湍流模型对其进行研究理论分析。近年来，对于湍流这一不规则运动，人们提出了并且倾向于应用混沌理论进行分析，并取得了一些成果。对湍流的认识在不断深入。 关键字：湍流概念湍流性质湍流强度模型建立混沌理论 在流体力学的学习过程中, 湍流一度被称为“经典物理学最后的疑团”，我对湍流这一流体的状态极其相关的力学性质进行了更深入的了解与学习，结合课堂上老师的讲解以及课后对相关参考文献的阅读理解，在此我想浅谈一下这一阶段我对湍流的学习与认识。 从湍流的定义出发，初识湍流，湍流是流体的一种流动状态。对于流体，大家都知道，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。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。流体作湍流时，阻力大流量小，能量耗损增加。能量耗损E与速度的关系为△ E= kv2（k是比例系数，它与管道的形状、大小以及管道的材料有关。v是平均流速）。所有流体都存在湍流现象。 我们可以用雷诺数的范围量化湍流。在直径为d的直管中，若流体的平均流速为v，由流体运动粘度v组成的雷诺数有一个临界值（大约为2300～2800），若Re小于该范围则流动是层流，在这种情况下，一旦发生小的随机扰动，随着时间的增长这扰动会逐渐衰减下去；若Re大于该范围，层流就不可能存在了，一旦有小扰动，扰动会增长而转变成湍流。雷诺在1883年用玻璃管做试验，区别出发生层流或湍流的条件。把试验的流体染色，可以看到染上颜色的质点在层流时都走直线。当雷诺数超过临界值时，可以看到质点有随机性的混合，在对时间和空间来说都有脉动时，这便是湍流。不用统计、概率论的方法引进某种量的平均值就难于描述这一流动。除直管中湍流外还有多种多样各具特点的湍流，虽经大量实验和理论研究，但至今对湍流尚未建立起一套统一而完整的理论。在流

关于湍流理论研究进展

关于湍流理论研究进展 摘要本文对近年来湍流理论在某些方面的研究进展作了概要介绍，对具有代表性的理论假设的思想方法，进行了扼要阐述，指出了相应的实用价值和局限性。 关键词湍流湍流统计理论混沌理论湍流拟序结构湍流剪切流动 1 无处不在的湍流现象 湍流是自然界中流体的一种最普遍的运动现象，它广泛的存在于我们生活周围。在大风吹过地面障碍物的旁边，在湍急的河水流过桥墩的后面，在烟囱中冒出的浓烟随风渐渐扩散等地方，都能观察到湍流运动现象。简单地说，湍流运动就是流体的一种看起来很不规则的运动。由于湍流现象广泛存在于自然界和工程技术的各个领域，因此湍流基础理论研究取得的进展就可能为经济建设和国防建设的广泛领域带来巨大的效益。例如，提高各种运输工具的速度以大量节约能源，提高各种流体机械的效益；改善大气和水体的环境质量，降低流体动力噪声，防止流体相互作用引发的结构振动乃至破坏；加强反应器内部物质的热交换与化学反应的速度等等。 然而像湍流这样，虽经包括许多著名科学家在内长达一个世纪多的顽强努力，正确反映客观规律的系统的湍流理论至今还没有建立，在整个科学研究史上也是不多见的。因此，可以说湍流是力学中没有解决的最困难的难题之一。因此，世界上许多国家一直坚持把湍流研究列为需要最优先发展的若干重大基础研究课题之一。 2 湍流理论的发展历史 湍流理论从它的思路来说大体可分为两类[1]。一类是先把流体动力学方程组平均以后，然后再设法使方程组封闭，求解后再和实验结果比较，看封闭办法是否正确。湍流中绝大部分理论是属于这一类型。另一类是先求解，取特殊模型，再引进平均，得到要求的物理量，和相应的实验结果进行比较。 2.1 Reynolds方程和混合长度理论 十九世纪70年代是Maxwell-Boltzmann分子运动理论取得辉煌成果的时代。它成功地解释了气体状态方程、气体粘性、气体热传导和气体扩散等一系列现象。湍流理论开始发展的时候，就受着这种思想支配。1877年T.V.Bonssinesq[2]又开始

层流和紊流

层流和紊流 cengliu he wenliu 层流和紊流 laminar flow and turbulent flow 实际液体由于存在粘滞性而具有的两种流动形态。液体质点作有条不紊的运动，彼此不相混掺的形态称为层流。液体质点作不规则运动、互相混掺、轨迹曲折混乱的形态叫做紊流。它们传递动量、热量和质量的方式不同：层流通过分子间相互作用，紊流主要通过质点间的混掺。紊流的传递速率远大于层流。水利工程所涉及的流动，一般为紊流。 雷诺数表征液流惯性力与粘滞力相对大小，可用以判别流动形态的无因次数，记作。雷诺数的定义式为： [19-01]式中、、分别为液体的密度动力粘滞系数、运动粘滞系数；、为流动的特征速度和特征长度。雷诺数小时,粘性效应在整个流场中起主要作用,流动为层流。雷诺数大时，紊动混掺起决定作用，流动为紊流。对于同样的液流装置，由层流转换为紊流时的雷诺数恒大于紊流向层流转换的雷诺数。前者称上临界雷诺数，其值随试验条件而变，很不稳定；后者称下临界雷诺数，其值比较稳定，对于一般条件下的管流（圆管直径为特征长度，断面平均流速为特征速度），约为2300。 层流只存在粘滞切应力。在简单的剪切流中，粘滞切应力： [19-02]式中[19-03]为剪切变形速度,亦即速度沿垂直方向的变化率；为动力粘滞系数,只和液体种类及温度有关的常数。此式表达了著名的牛顿内摩擦定律。层流中摩擦阻力及沿程水头损失均与流速的一次方成正比，流速分布呈抛物线型。圆管层流流速分布如图1[ 层流和紊流流速分布比较] 所示。 紊流又称湍流。液体运动呈随机性，即速度、压强等均随时间、空间作不规则的脉动，是紊流的基本特征（图2[紊流流