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第七章 紊流对流换热 7—1 紊流模型 在推导紊流时均值的雷诺方程时，紊流动量方程中包含了速度脉动量（二维流动时为 ′2 ′2 ′ ′ ρu 、ρv 、ρu v 、），这就使得未知量的数目多于方程式的数目，所以必须引入紊流模 型，提出一些半经验公式，才能使求解成为可能。虽然已有许多学者对紊流模型进行了较长 时间的研究并获得了一定的进展，但对总体求解仍远未能得到满意的结果。 一、紊流特性 描述紊流流动的总体特性有：紊流强度、紊流尺度、粘性的作用和紊流边界层的结构。 1、紊流强度 流体在紊流流动时，在各个方向上存在脉动速度，而各个方向上速度脉动量的大小可以 衡量紊流流动的强度，在假设的情况下，紊流强度可定义为 1 2 2 2 ′ ′ ′ (u v w ) + + 3 J （7 －1） u 在边界层内、管内流动、自由剪切层或网格后的紊流强度约在 5～10％的范围内。 2 、紊流尺度 紊流流场中存在着大小不同的旋转着的流体微团，这些流体微团的平均直径就是“紊流 尺度”。大气流中的紊流尺度可以达到几米，而通过细小网格后的流体的流动，其紊流尺度 大致与网格尺寸相当。 用热线风速仪可以测量到一个指示紊流尺度的参数，可以测量出同一瞬间不同位置上两 点的脉动速度 ′ ′ u 和u ，若以y 表示位置变量，则紊流尺度参数表示为 1 2 ′ ′ u u R y 1 2 ( ) （7 －2 ） 2 2 ′ ′ u u 1 2 取 y=0 时其值为 1，且随着y 的增长R (y ) →0 。这样紊流脉动及漩涡的平均尺度可定义为 ∞ L ∫ R (y )dy （7 －3 ） 0 当然，也可用x 作为位置变量，或用不同的速度分量来组成，紊流脉动与旋涡的长度尺度肯 定对传热有重要影响，即在一定的紊流强度下，尺度较大的旋涡所具有的能量高于尺度较小 的旋涡所具有的能量。 3、粘性的作用 由于流体的粘性耗散，使得流体微团运动时的动能转变为热能。所以，要维持稳定的 紊流，就必须不断地对流体补充能量。紊流都存在于剪切流动中，如流体绕过壁面的流动、 自由射流等，移动较快的漩涡带动移动较慢的漩涡，这样就补充了流体由于粘性耗散而失去 的能量。在一个不存在剪切速度梯度的流动中，若为紊流，则紊流必产生于上游的剪切流中， 由于得不到能量的补充，紊流必将在下游消失。因此，粘性的作用实际上是抑制紊流的产生， 而惯性力的作用正好相反，是推动紊流的产生。惯性力和粘性力之比就是雷诺数Re 。