湍流的特征PPT课件

1、什么是湍流？什么是湍流？湍流现象湍流现象第1页/共15页第2页/共15页第3页/共15页 10 km12 km对流层对流层平流层平流层边界层边界层第4页/共15页杂乱、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第5页/共15页什么是湍流什么是湍流湍流的定义湍流的定义 和和I.G TaylorI.G Taylor对湍流的定义对湍流的定义：湍流是流体和气体中出现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。体相互流过时会产生湍流。 HinzeHinze对湍流的定义为对湍流

2、的定义为：只提不规则运动不全面，：只提不规则运动不全面，“湍流湍流的各个量在时间和空间上表现出随机性。的各个量在时间和空间上表现出随机性。 周培源周培源：湍流为一种不规则的涡旋：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第6页/共15页 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。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的观点来看，湍流必

3、定是不可预测的，研究湍流大多是用统计的方法法。 （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。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，但是它在周围的流体中不出现扩散现象，那么肯定不是湍随机的，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。湍流具有比分子运动强得多的扩散能流，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力。 （3 3）大雷诺数大雷诺数(Large peynold

4、s numbers)(Large peynolds numbers)。湍流是一种在大雷诺。湍流是一种在大雷诺数条件下才出现的现象，数条件下才出现的现象，ReRe越高，层流流动变得不稳定而出现湍流。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。随机性和非线性特性使湍流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 (Three-dimensional vorticity fluctuations)fluctuations)。湍流是以高频脉动涡旋为特征的有旋三维运动，因。湍流是以高频脉动涡旋为特征的

5、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。此，涡旋动力学在湍流种类中起着至关重要的作用。如果速度脉动如果速度脉动是二维的，涡旋脉动将不能保持。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，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例如大气中二维的龙卷风不是湍流运动; ;第7页/共15页 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。湍流运动由于分子粘性作用总总要耗要耗散能散能量量，只有不断从外部供给能量，湍流才能维持，只有不断从外部供给能量，湍流才能维持

6、. .随机运动随机运动, ,比如比如重力波、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。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，。湍流是一种连续介质的运动现象，即即使最小尺度的湍流也远远大于任何的分子长度尺寸，使最小尺度的湍流也远远大于任何的分子长度尺寸，因此满足连续因此满足连续介质力学的基本规律，例如介质力学的基本规律，例如N-SN-S方程方程。 （7 7）流动特性流动特性(Flow characteristics)(Fl

7、ow characteristics)。湍流不是流体的。湍流不是流体的特性特性，而是流而是流体体运动的运动的特特质，质，它的主要特点不是由分子控制的。它的主要特点不是由分子控制的。不同的流不同的流体其湍流特征（依赖于外部条件，如边界条件体其湍流特征（依赖于外部条件，如边界条件和初始条件和初始条件）往往也）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的，寻找这些普统一的模式处理，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；遍规律正是湍流理论研究

8、的中心任务；第8页/共15页 湍流的主要特征（湍流的主要特征（资料资料） （8 8）记忆特性（相关性）。记忆特性（相关性）。湍流运动在不同的时刻或空间不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，最后趋近于零；间间隔或空间距离的增大而变小，最后趋近于零； （9 9）间歇性。间歇性。内间歇：充分发展的湍流场中某些物理量（特内间歇：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

9、。外间歇：指湍流区与非湍流区边界的时在的，即有奇异性。外间歇：指湍流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）猝发与拟序结构猝发与拟序结构。这也是近代湍流研究的重大发现，。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，说明湍流不是完全无秩序、无内部结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。构的运动。这促使人们改变了对湍流的某些传统观念。第9页/共15页从层流到湍流（一）从层流到湍流（一）从层流到湍流 Corssin and Karweit 1969第10页/共15页从层流到湍流 Frisch (1995)从层流到湍流（二）从层流到湍流（二）第11页/共15页Reynolds数 层流湍流的判据 U：特征速度 L