《湍流的基本概念#高等教育》由会员分享，可在线阅读，更多相关《湍流的基本概念#高等教育（32页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、高等流体力学高等流体力学第一讲第一讲 湍流的基本概念湍流的基本概念张凌新张凌新浙江大学航空航天学院浙江大学航空航天学院流体工程研究所流体工程研究所Institute of Fluid Engineering1优质材料 IFE , Zhejiang University浙江大学航空航天学院流体工程研究所内容内容4流体基本属性流体基本属性连续性、可压缩性、粘性连续性、可压缩性、粘性流动的描述流动的描述4湍流的特性湍流的特性雷诺实验雷诺实验不规则性不规则性确定性确定性4湍流的统计湍流的统计湍流的统计量湍流的统计量频谱、波谱频谱、波谱谱函数的推广谱函数的推广4湍流的研究湍流的研究湍流的认识湍流的认识湍
2、流的研究方向湍流的研究方向2 IFE , Zhejiang University浙江大学航空航天学院流体工程研究所流体基本属性（流体基本属性（1 1）l 流体流动流体流动3 IFE , Zhejiang University浙江大学航空航天学院流体工程研究所流体基本属性（流体基本属性（2 2）l 什么是流体什么是流体 从列举的角度从列举的角度水、大气、油；烟雾、沙尘暴水、大气、油；烟雾、沙尘暴 从归纳的角度：从归纳的角度：易于流动，不能保持一定的形状易于流动，不能保持一定的形状固体固体液体液体气体气体 从本质的角度：从本质的角度：在无数分子的聚集体内，分子间不具有绝对的约在无数分子的聚集体内，
3、分子间不具有绝对的约束力，分子活动剧烈束力，分子活动剧烈宇宙内星系群宇宙内星系群复杂道路的交通流复杂道路的交通流4 IFE , Zhejiang University浙江大学航空航天学院流体工程研究所流体基本属性（流体基本属性（3 3）l 连续介质假设连续介质假设015 IFE , Zhejiang University浙江大学航空航天学院流体工程研究所流体基本属性（流体基本属性（4 4）l 可压缩性可压缩性 弹性模量弹性模量 密度的变化密度的变化不可压缩不可压缩I6 IFE , Zhejiang University浙江大学航空航天学院流体工程研究所流体基本属性（流体基本属性（5 5）l 粘
4、性粘性 粘性的特点粘性的特点 粘性力粘性力粘性表现为阻碍流体间相对滑动；粘性表现为阻碍流体间相对滑动；粘性不能阻止流体间相对滑动；粘性不能阻止流体间相对滑动；静止的流体间不表现出粘性；静止的流体间不表现出粘性；7 IFE , Zhejiang University浙江大学航空航天学院流体工程研究所流体基本属性（流体基本属性（6 6）l 流动的描述流动的描述 质点描述方法质点描述方法III8 IFE , Zhejiang University浙江大学航空航天学院流体工程研究所流体基本属性（流体基本属性（7 7）l 流动的描述流动的描述 质点描述方法质点描述方法- -拉格朗日法拉格朗日法III9
5、IFE , Zhejiang University浙江大学航空航天学院流体工程研究所流体基本属性（流体基本属性（8 8）l 流动的描述流动的描述 场描述方法场描述方法- -欧拉法欧拉法I10 IFE , Zhejiang University浙江大学航空航天学院流体工程研究所流体基本属性（流体基本属性（9 9）l 流动的描述流动的描述 时间变化率时间变化率- -物质导数物质导数11 IFE , Zhejiang University浙江大学航空航天学院流体工程研究所湍流的特性（湍流的特性（1 1）l 雷诺实验雷诺实验（雷诺雷诺）12 IFE , Zhejiang University浙江大学航
6、空航天学院流体工程研究所湍流的特性（湍流的特性（2 2）l 雷诺实验雷诺实验层流层流临界状态临界状态- -转捩转捩湍流湍流或或动力粘度动力粘度运动粘度运动粘度 雷诺数的定义雷诺数的定义ReRe 雷诺数的不确定性雷诺数的不确定性管流转捩的管流转捩的ReRe数：数：2300-1000002300-10000013 IFE , Zhejiang University浙江大学航空航天学院流体工程研究所湍流的特性（湍流的特性（3 3）l 不规则性不规则性 不同时刻的一维速度采样不同时刻的一维速度采样14 IFE , Zhejiang University浙江大学航空航天学院流体工程研究所湍流的特性（湍流
7、的特性（4 4）l 不规则性不规则性 湍流三维性湍流三维性15 IFE , Zhejiang University浙江大学航空航天学院流体工程研究所湍流的特性（湍流的特性（5 5）l 确定性确定性16 IFE , Zhejiang University浙江大学航空航天学院流体工程研究所湍流的特性（湍流的特性（6 6）l 确定性确定性 概率密度概率密度17 IFE , Zhejiang University浙江大学航空航天学院流体工程研究所湍流的统计（湍流的统计（1 1）l 湍流的统计量湍流的统计量 （系综）平均速度（系综）平均速度 脉动速度脉动速度 其他平均其他平均每次的实验每次的实验18 I
8、FE , Zhejiang University浙江大学航空航天学院流体工程研究所湍流的统计（湍流的统计（2 2）l 湍流的统计量湍流的统计量 时间自相关函数时间自相关函数 联合概率联合概率这里及以下的速度全是指脉动速度这里及以下的速度全是指脉动速度 空间自相关函数空间自相关函数II19 IFE , Zhejiang University浙江大学航空航天学院流体工程研究所湍流的统计（湍流的统计（3 3）l 频谱、波谱频谱、波谱 时间平稳态中的频谱时间平稳态中的频谱 均匀湍流中的波谱均匀湍流中的波谱逆变换逆变换傅里叶变换傅里叶变换20 IFE , Zhejiang University浙江大学航
9、空航天学院流体工程研究所湍流的统计（湍流的统计（4 4）l 谱函数的推广谱函数的推广 广义谱广义谱 对非定常均匀湍流对非定常均匀湍流对定常非均匀湍流变换对定常非均匀湍流变换21 IFE , Zhejiang University浙江大学航空航天学院流体工程研究所湍流的研究（湍流的研究（1 1）l 湍流的认识湍流的认识最早，认为湍流是一种最早，认为湍流是一种完全不规则完全不规则的运动。的运动。 3030年代，泰勒和冯卡门认为湍流是年代，泰勒和冯卡门认为湍流是一种不规则一种不规则的运动，它于的运动，它于流体流过固壁流体流过固壁或不同速度的流体层相互流过或不同速度的流体层相互流过时产生。时产生。 7
10、070年代，很多人认为湍流年代，很多人认为湍流并不是完全随机的并不是完全随机的运动，它内部运动，它内部存在拟序大涡结存在拟序大涡结构构，这些大尺度结构对湍流脉动的生成和发展起主导作用。，这些大尺度结构对湍流脉动的生成和发展起主导作用。 现在，一般认为湍流是现在，一般认为湍流是由各种大小和涡量不同的漩涡叠加而成由各种大小和涡量不同的漩涡叠加而成，其中大涡，其中大涡尺度与流动环境有关，最小涡的尺度由粘性确定。某些情况下流场做完全随尺度与流动环境有关，最小涡的尺度由粘性确定。某些情况下流场做完全随机运动，另一些机运动，另一些 情况下随机运动与拟序运动并存。情况下随机运动与拟序运动并存。 不同阶段的描
11、述不同阶段的描述 22 IFE , Zhejiang University浙江大学航空航天学院流体工程研究所湍流的研究（湍流的研究（2 2）l 湍流的认识湍流的认识梵高梵高星空星空23 IFE , Zhejiang University浙江大学航空航天学院流体工程研究所湍流的研究（湍流的研究（3 3）l 湍流的认识湍流的认识 多尺度问题多尺度问题24 IFE , Zhejiang University浙江大学航空航天学院流体工程研究所25 IFE , Zhejiang University浙江大学航空航天学院流体工程研究所湍流的研究（湍流的研究（4 4）l 湍流的研究方向湍流的研究方向 平均流
12、平均流 统计理论统计理论18771877年，布森涅斯克年，布森涅斯克提出涡流粘度理论提出涡流粘度理论19251925年，年，普朗特普朗特提出混合长理论提出混合长理论19301930年，年，卡门卡门提出的相似理论提出的相似理论19321932年，年，泰勒泰勒提出的涡量传递理论提出的涡量传递理论四五十年代，四五十年代，周培源周培源提出模式理论提出模式理论 泰勒（泰勒（19351935）、卡门（）、卡门（19381938）和）和柯尔莫戈洛夫柯尔莫戈洛夫（19411941）等为湍流统计理）等为湍流统计理论奠定了基础。论奠定了基础。19411941年年, ,柯尔莫戈洛夫柯尔莫戈洛夫提出局部各向同性概念提
13、出局部各向同性概念，认为实际流动总有边界的影，认为实际流动总有边界的影响，因此受边界影响较大的大尺度涡旋的运动不可能是各向同性的，而受响，因此受边界影响较大的大尺度涡旋的运动不可能是各向同性的，而受边界影响较少的小尺度涡旋则可能是各向同性的。边界影响较少的小尺度涡旋则可能是各向同性的。26 IFE , Zhejiang University浙江大学航空航天学院流体工程研究所雷诺雷诺 雷诺雷诺 (Osborne Reynolds 1842-1912(Osborne Reynolds 1842-1912）德国力学家、物理学家、工程师。生于北爱尔兰，早年在工场做技术工作，德国力学家、物理学家、工程师
14、。生于北爱尔兰，早年在工场做技术工作，18671867年毕业于剑桥大学，年毕业于剑桥大学，18681868年起任曼彻斯特欧文学院工程学教授。年起任曼彻斯特欧文学院工程学教授。雷诺在流体力学方面最主要的贡献是雷诺在流体力学方面最主要的贡献是发现流动的相似律发现流动的相似律，他引入表征流动中流体，他引入表征流动中流体惯性力和粘性力之比的一个量纲为惯性力和粘性力之比的一个量纲为1 1的数，即的数，即雷诺数雷诺数。对于几何条件相似的各个。对于几何条件相似的各个流动，即使它们的尺寸、速度、流体不同，只要雷诺数相同，则这个流动是动力流动，即使它们的尺寸、速度、流体不同，只要雷诺数相同，则这个流动是动力相似
15、的。相似的。18831883年雷诺通过管道中平滑流线性型流动（层流）向不规则带旋涡的流年雷诺通过管道中平滑流线性型流动（层流）向不规则带旋涡的流动（湍流）过渡的实验，阐明了这个比数的作用。动（湍流）过渡的实验，阐明了这个比数的作用。在雷诺以后，分析有关的雷诺在雷诺以后，分析有关的雷诺数成为研究层流向湍流过渡的一个标准步骤。数成为研究层流向湍流过渡的一个标准步骤。27 IFE , Zhejiang University浙江大学航空航天学院流体工程研究所普朗特普朗特普朗特（普朗特（Ludwig Prandtl 1875-1953Ludwig Prandtl 1875-1953） 生于德国弗赖辛，大
16、学时学习机械工程，后主攻弹性力学，生于德国弗赖辛，大学时学习机械工程，后主攻弹性力学，19001900年获得博士年获得博士学位。后担任哥廷根大学应用力学系主任，建立并主持空气动力实验所和威学位。后担任哥廷根大学应用力学系主任，建立并主持空气动力实验所和威廉皇家流体力学研究所。在近半个世纪中，普朗特注意理论与实际的联系，廉皇家流体力学研究所。在近半个世纪中，普朗特注意理论与实际的联系，在力学方面取得许多开创性成果。在力学方面取得许多开创性成果。 19011901年在一机械厂工作中，因改进用管道抽吸废屑的装置发现了气流分离问年在一机械厂工作中，因改进用管道抽吸废屑的装置发现了气流分离问题；后来用自
17、制水槽观察曲面流动现象，题；后来用自制水槽观察曲面流动现象，提出边界层的理论提出边界层的理论（全名是（全名是论粘论粘性很小的流体的运动性很小的流体的运动） 。普朗特在流体力学方面的主要贡献有：。普朗特在流体力学方面的主要贡献有：边界层边界层理论。理论。风洞实验技术；风洞实验技术；机翼理论；机翼理论；湍流理论湍流理论。普朗特的。普朗特的边界层理论极边界层理论极大地推进了空气动力学的发展大地推进了空气动力学的发展。普朗特还把有限翼展的三维机翼理论系统化，。普朗特还把有限翼展的三维机翼理论系统化，给出它的数学结果，从而创立了有限翼展机翼的举力线理论。给出它的数学结果，从而创立了有限翼展机翼的举力线理
18、论。 普朗特普朗特培养了许多国际知名的力学家培养了许多国际知名的力学家，除近代力学另一奠基人卡门外，还有，除近代力学另一奠基人卡门外，还有阿克莱特、普拉格、陆士嘉等。阿克莱特、普拉格、陆士嘉等。28 IFE , Zhejiang University浙江大学航空航天学院流体工程研究所卡门卡门冯卡门（冯卡门（ Theodore Von Karman 1881-1963Theodore Von Karman 1881-1963） 生于匈牙利，生于匈牙利，19081908年获得过哥廷根大学博士学位。起初，他跟随现代空气动年获得过哥廷根大学博士学位。起初，他跟随现代空气动力学之父普朗特教授研究材料力学
19、，又和德国物理学家玻恩合作搞过晶体原力学之父普朗特教授研究材料力学，又和德国物理学家玻恩合作搞过晶体原子结构模型。在普朗特、希尔伯特、龙格等科学大师的熏陶下，在哥廷根大子结构模型。在普朗特、希尔伯特、龙格等科学大师的熏陶下，在哥廷根大学打下了雄厚的基础。后来，他担任德国亚琛航空学院院长，主持空气动力学打下了雄厚的基础。后来，他担任德国亚琛航空学院院长，主持空气动力学研究工作。学研究工作。19301930年，卡门去美国定居，在加利福尼亚理工学院领导空气动年，卡门去美国定居，在加利福尼亚理工学院领导空气动力学研究，力学研究，成为航空事业的奠基人成为航空事业的奠基人。19111911年，卡门发表了年
20、，卡门发表了“卡门涡街卡门涡街”的论文，解释了水流过圆柱体后的漩涡现的论文，解释了水流过圆柱体后的漩涡现象。他把气体液体流动的附面层计算公式简化，成为后来飞机、火箭、工业象。他把气体液体流动的附面层计算公式简化，成为后来飞机、火箭、工业输送管道的标准算法。他继承了德国数学的传统，把微分方程应用到工程上，输送管道的标准算法。他继承了德国数学的传统，把微分方程应用到工程上，解决了大量难题：高超音速飞行问题；三元气流场的阻力问题；超音速波阻解决了大量难题：高超音速飞行问题；三元气流场的阻力问题；超音速波阻问题；机翼计算问题，其中的卡门问题；机翼计算问题，其中的卡门- -钱学森公式适用于高速飞机设计。
21、这些成钱学森公式适用于高速飞机设计。这些成果，掀开了超音速时代的大幕。果，掀开了超音速时代的大幕。29 IFE , Zhejiang University浙江大学航空航天学院流体工程研究所泰勒泰勒泰勒（泰勒（Geoffrey Ingram Taylor 1886-1975Geoffrey Ingram Taylor 1886-1975 ）英国力学家。生于伦敦，英国力学家。生于伦敦，19051905年进入剑桥大学三一学院学习，毕业后在剑桥大学年进入剑桥大学三一学院学习，毕业后在剑桥大学工作。他青年时爱好划船、滑翔、跳伞等活动，对其中不少涉及流体力学的问题工作。他青年时爱好划船、滑翔、跳伞等活动，
22、对其中不少涉及流体力学的问题深感兴趣。深感兴趣。19231923年被任命为皇家学会两名研究教授之一，直到退休时为止一直担年被任命为皇家学会两名研究教授之一，直到退休时为止一直担任此职。任此职。19451945年参与美国曼哈顿工程的工作，参与在新墨西哥州进行的第一颗原年参与美国曼哈顿工程的工作，参与在新墨西哥州进行的第一颗原子弹爆炸试验。子弹爆炸试验。泰勒对力学的贡献是多方面的。在流体力学方面，他阐明激波内部结构（泰勒对力学的贡献是多方面的。在流体力学方面，他阐明激波内部结构（19101910）；）；对大气湍流和湍流扩散作了研究对大气湍流和湍流扩散作了研究（19151915，19211921，1
23、9321932）；得出同轴）；得出同轴两转动圆轴两转动圆轴间流动的失稳条件间流动的失稳条件（19231923），在研究原子弹爆炸中提出强爆炸的自模拟理论），在研究原子弹爆炸中提出强爆炸的自模拟理论（19461946，19501950）；指出在液滴中起主要作用的是表面张力而不是粘性力）；指出在液滴中起主要作用的是表面张力而不是粘性力（19591959）等。）等。泰勒科学工作的特点是擅长巧妙地泰勒科学工作的特点是擅长巧妙地把深刻的物理洞察力和高深的数学方法结合把深刻的物理洞察力和高深的数学方法结合起起来，并善于设计出简单而又完善的专门实验。来，并善于设计出简单而又完善的专门实验。30 IFE ,
24、Zhejiang University浙江大学航空航天学院流体工程研究所周培源周培源周培源（周培源（1902-19931902-1993）出生于江苏省宜兴县，就读于清华学校中等科，出生于江苏省宜兴县，就读于清华学校中等科，19241924年被清华学校派送去美国芝年被清华学校派送去美国芝加哥大学数理系二年级学习，于加哥大学数理系二年级学习，于19261926年春、夏两季分别获学士和硕士学位，年春、夏两季分别获学士和硕士学位，19281928年获博士学位。先后在海森伯、泡利等指导下从事量子力学研究。后被聘为年获博士学位。先后在海森伯、泡利等指导下从事量子力学研究。后被聘为国立清华大学物理系教授，其
25、时年仅国立清华大学物理系教授，其时年仅2727岁。抗战期间，他抱著科学家应为反战服岁。抗战期间，他抱著科学家应为反战服务，毅然转向流体力学方面的研究。务，毅然转向流体力学方面的研究。周培源主要成就为引力论和湍流理论，在国际上第一次提出湍流脉动方程，周培源主要成就为引力论和湍流理论，在国际上第一次提出湍流脉动方程，奠定奠定了湍流模式理论的基础了湍流模式理论的基础，进而在国际上形成了一个，进而在国际上形成了一个 湍流模式理论湍流模式理论 流派，对推动流派，对推动流体力学尤其是湍流理论的研究产生了深远的影响。流体力学尤其是湍流理论的研究产生了深远的影响。周培源培养了几代力学家和物理学家。早期学生中王
26、竹溪、彭桓武、林家翘、胡周培源培养了几代力学家和物理学家。早期学生中王竹溪、彭桓武、林家翘、胡甯等都成为著名的科学家。甯等都成为著名的科学家。31 IFE , Zhejiang University浙江大学航空航天学院流体工程研究所柯尔莫戈洛夫柯尔莫戈洛夫A AN N柯尔莫戈洛夫（柯尔莫戈洛夫（1903-19871903-1987）柯尔莫戈洛夫出生于俄罗斯。柯尔莫戈洛夫出生于俄罗斯。19201920年进入莫斯科大学，先学习冶金，后来转学数年进入莫斯科大学，先学习冶金，后来转学数学。大学三年级时就发表了论文，表现出卓越的数学才能，载誉国际。后担任莫学。大学三年级时就发表了论文，表现出卓越的数学才
27、能，载誉国际。后担任莫斯科大学数学力学研究所所长。斯科大学数学力学研究所所长。作为科学巨人，很难将柯尔莫戈洛夫归为一个或两个学科。他的研究范围从基础作为科学巨人，很难将柯尔莫戈洛夫归为一个或两个学科。他的研究范围从基础数学到数学在流体、物理、化学、地质和冶金领域。数学到数学在流体、物理、化学、地质和冶金领域。19411941年应用随机过程的预测年应用随机过程的预测和内插公式于无线电工程、火炮等的自动控制、大气海洋等自然现象。在流体力和内插公式于无线电工程、火炮等的自动控制、大气海洋等自然现象。在流体力学中，他得到了以他名字命名的最小涡尺度，学中，他得到了以他名字命名的最小涡尺度，他对湍流统计理论的贡献至今无人他对湍流统计理论的贡献至今无人能够推进能够推进。他是他是2020多个国家的科学院外国院士，多个国家的科学院外国院士，一生获奖无数一生获奖无数，19801980年获世界最著名的沃年获世界最著名的沃尔夫奖（数学尔夫奖（数学NobelNobel），但他拒绝领奖。），但他拒绝领奖。32
