ch7紊流基础理论12.pdf

第7章紊流基本理论与紊流模型 Shehua HUANG 武汉大学水利水电学院 水资源与水电工程科学国家重点实验室 2010.11 Hydraulics and Fluid Mechanics Laboratory, Wuhan University p1 本章内容 紊流特征概述 紊流基本方程 紊流统计理论和各向同性紊流 紊流模式理论和紊流模型 Hydraulics and Fluid Mechanics Laboratory, Wuhan University p2 1 紊流特征概述 1.1 紊流的基本特征 1.1 紊流的基本特征 自然界和实际工程中的流体运动，绝大多数都是紊流。紊流运动对于流场 自然界和实际工程中的流体运动，绝大多数都是紊流。紊流运动对于流场 中的速度、压力、温度和物质浓度的分布，起着决定性的影响作用。由于 中的速度、压力、温度和物质浓度的分布，起着决定性的影响作用。由于 紊流现象的复杂性，紊流运动以及与之相联系的质量、动量和能量输运现 紊流现象的复杂性，紊流运动以及与之相联系的质量、动量和能量输运现 象都极难描述，而且也几乎不可能进行解析预测。由于计算机储存能力和 象都极难描述，而且也几乎不可能进行解析预测。由于计算机储存能力和 运算速度的限制，当前即使是通过数值计算方法来研究工程紊流问题，也 运算速度的限制，当前即使是通过数值计算方法来研究工程紊流问题，也 不可避免地要对紊动输运过程提出各种假设。采用一些经验性的结果和假 不可避免地要对紊动输运过程提出各种假设。采用一些经验性的结果和假 设，把紊动输运过程中的各种物理量与所谓的时均流场建立联系，构成紊 设，把紊动输运过程中的各种物理量与所谓的时均流场建立联系，构成紊 流模式理论的基本内容。 流模式理论的基本内容。 Hydraulics and Fluid Mechanics Laboratory, Wuhan University p3 紊流的概念 紊流的概念 在承认Navier-Stokes是对紊流运动足够精确描述的前提下，从数学上讲， 在承认Navier-Stokes是对紊流运动足够精确描述的前提下，从数学上讲， 紊流就是纳维埃－斯托克斯方程和连续性方程组的通解（对圆管流 紊流就是纳维埃－斯托克斯方程和连续性方程组的通解（对圆管流 Re2300 ）。然而在变形体连续介质力学中，目前并没有关于紊流的严格定 Re2300 ）。然而在变形体连续介质力学中，目前并没有关于紊流的严格定 义。所以对紊流的认识，只能唯象地或者定性地描述其运动特性。 义。所以对紊流的认识，只能唯象地或者定性地描述其运动特性。 雷诺把紊流称为“是一种蜿蜒曲折、起伏不定的流动（Sinuous motion ）”； 雷诺把紊流称为“是一种蜿蜒曲折、起伏不定的流动（Sinuous motion ）”； 泰勒和卡门称“紊流是常在流体流过固体表面或者相同流体的分层流动中出 泰勒和卡门称“紊流是常在流体流过固体表面或者相同流体的分层流动中出 现的一种不规则的运动” ；Hinze认为“紊流是流体运动的一种不规则情形， 现的一种不规则的运动” ；Hinze认为“紊流是流体运动的一种不规则情形， 在紊流中各种物理量随时间和空间坐标而呈现随机的变化，因而具有明确 在紊流中各种物理量随时间和空间坐标而呈现随机的变化，因而具有明确 的统计平均值” 。 的统计平均值” 。 Hydraulics and Fluid Mechanics Laboratory, Wuhan University p4 紊流的基本特性 紊流的基本特性 紊流是粘性流体运动当雷诺数相当大（至少大于临界值）后的一种复杂流 紊流是粘性流体运动当雷诺数相当大（至少大于临界值）后的一种复杂流 动现象，紊流不是流体的内在物质属性，而是流体的一种运动型态。紊流 动现象，紊流不是流体的内在物质属性，而是流体的一种运动型态。紊流 的基本特性为： 的基本特性为： 1 ）随机性。紊流中各种运动要素均随时间和空间坐标而呈现随机的脉动， 1 ）随机性。紊流中各种运动要素均随时间和空间坐标而呈现随机的脉动， 可以通过统计平均方法得到紊流中各物理量的平均值及其统计特