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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
Researchprocessofturbulence
Dinglixin
QingdaoUniversityofSciencetechnology
AbstractThisarticlefocusesontheturbulenceofresearchprocessas
elaborated.Fromcoherentstructureofturbulence,characterizationand
developmentofturbulencetoReynoldsequationaboutresearchprocess
ofturbulenceontheendofthecentury,thedevelopmentof
semi-empiricaltheoryandstatisticaltheoryofturbulenceofthiscentury,
modetheoryofturbulence,advancednumericalsimulationofturbulence.
Finally,briefdescriptionofturbulenceindustrialapplicationsis
suggested.
KeywordsTurbulence,Theoreticalresearchofturbulence,
Engineeringapplications
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
后果,另一方面也起到加快化学反应速度,提高热交换速率等积极作用,因此湍
流的研究发展和突破将会在国防和经济方面起到重要的作用。湍流主要研究两个
方面的内容,一是揭示湍流产生的原因,二是研究已经形成的湍流运动的规律,
以便解决工程实际问题。但自英国物理学家雷诺提出湍流这一基本流动形态以
来,已有一百多年的历史,因其运动的复杂性,其基本机理和规律至今还没有完
全弄清楚。因此回顾一下湍流研究取得的进展对于进一步揭示这一十分复杂的流
动现象是有益的。
1湍流的相干结构、原因及表征
⑴湍流是局部速度、压力等力学量在时间和空间中发生不规则脉动的流体流
动。其基本特征是不规则性或随机性,不可预测,用随机方法;扩散性,有比分
子运动强的多的扩散能力;大雷诺数;涡旋,以高频扰动涡为特征的有旋的三维
运动;耗散性,因分子的黏性作用而耗散能量,需外部提供能量维持湍流。。
流体做湍流流动时,由于质点的运动是随机的,在流体内部将产生各种尺度的旋
涡(或称微团)。这些旋涡在各个方向上做高频脉动。因此,流体由层流转变为
湍流,需具备两个条件①旋涡的形成;②旋涡形成后脱离原来的流层或流速。旋
涡的形成主要取决于两点因素,其一是流体的黏性,由于黏性的作用具有不同流
速的相邻流体层之间将产生剪切力。其二是流层的波动,流层凸起的地方将因微
小流速截面的减小而使流速增大;反之,在凹入的地方,将因微小流速截面的增
大而使流速减小。依伯努利方程,流速的增大将引起压力的减小,而流速的减小
将引起压力的增大,最终在横向压力和剪应力的综合作用下,促成旋涡的形成。
进一步分析旋涡形成以后脱离原流层的问题,由于旋涡的存在,旋涡附近各流层
的速度分布将有所改变。若将旋涡类似于旋转柱体,则必有Zhoukowski升力施
加于旋涡推动它进入相邻的流层,这时流动的内部结构就会完全改观,根据流体
流动的连续性,各流层之间必然会产生旋涡的交换,这
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