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1、1.1湍流的特征 1什么是湍流？什么是湍流？湍流现象湍流现象234 10 km12 km对流层对流层平流层平流层边界层边界层5杂乱、随机、无序杂乱、随机、无序达芬奇描绘的湍流达芬奇描绘的湍流火山爆发火山爆发6什么是湍流什么是湍流湍流的定义湍流的定义Von.KarmanVon.Karman和和I.G TaylorI.G Taylor对湍流的定义：湍流是流体和气体中出现的一种无规对湍流的定义：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。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。HinzeHinze对湍流的定义为：只提不规则运动不
2、全面，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湍流的各个量在时间和空间上表现出随机性。上表现出随机性。周培源：湍流为一种不规则的涡旋周培源：湍流为一种不规则的涡旋(eddy)(eddy)运动。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到目前为止，科学界还无法给出湍流的严格的科学定义7 湍流的主要特征湍流的主要特征（1 1）不规则性）不规则性(Irregularity)(Irregularity)。这是所有湍流的特性，从动力学的观点来看，湍。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。流必定是不可预测的，研究湍流大
3、多是用统计的方法。（2 2）扩散性）扩散性(Diffusivity)(Diffusivity)。这是湍流的另一个重要性质，它加速流体混合，增。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。分子运动强得多的扩散能力。（3 3）大雷诺数）大雷诺数(Large peynolds numbers)(La
4、rge peynolds numbers)。湍流是一种在大雷诺数条件下才出现。湍流是一种在大雷诺数条件下才出现的现象，的现象，ReRe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。方程的求解相当棘手。（4 4）三维涡旋脉动）三维涡旋脉动(Three-dimensional vorticity fluctuations)(Three-dimensional vorticity fluctuations)。湍流是以高。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频脉动涡
5、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在于二维的，例如大气中二维的龙卷风不是湍流运动; ;8 湍流的主要特征湍流的主要特征（5 5）耗散性）耗散性(Dissipation)(Dissipation)。湍流运动由于分子粘性作用总要耗散能量，只有。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，湍流才能维持不断从外部供给能量，湍流才能维持. .随机运动随机运动, ,比如重力波、
6、声波都不是湍流，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。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 6）连续性）连续性(Continuum)(Continuum)。湍流是一种连续介质的运动现象，即使最小尺度的。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，例如如N-SN-S方程。方程。（7 7）流动特性）流动特性(Flow characteristics)(Flow characteristics)
7、。湍流不是流体的特性，而是流体运动。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，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；的，寻找这些普遍规律正是湍流理论研究的中心任务；9 湍流的主要特征（资料
8、）湍流的主要特征（资料）（8 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）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；后趋近于零；（9 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）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
9、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; ;（1010）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）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。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。10从层流到湍流（一）从层流到湍流（一）从层流到湍流 Corssin and Karweit 196911从层流到湍流 Frisch (1995)从层流到湍流（二）从层流到湍流（二）12Reynolds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1314分析方法未知数多于方程个数 方程组闭合问题Stokes关系式 应力张量与变形率张量Prandtl混合长度理论湍流流体是非牛顿流体，具有粘弹性和记忆效应15
