《湍流及转捩》课件

湍流及转捩欢迎来到《湍流及转捩》课程。本课程将深入探讨流体力学中这一复杂而fascinating的领域，揭示湍流的奥秘及其在工程应用中的重要性。课程纲要1湍流基础探讨湍流的定义、特点及其在工程中的重要性。2湍流边界层深入研究湍流边界层的结构、方程及其应用。3转捩过程分析层流向湍流的转变机制及影响因素。4测量与模拟介绍湍流测量技术和数值模拟方法。湍流的重要性工程应用湍流在航空航天、海洋工程、气象学等领域扮演着关键角色。能量传递湍流促进了流体中的质量、动量和能量的快速交换。混合增强在化学反应和燃烧过程中，湍流显著提高了混合效率。湍流的特点随机性湍流运动呈现出不规则和混沌的特征。旋涡结构包含多尺度的旋涡，从大尺度到小尺度。强扩散性湍流增强了流体中的传质、传热和动量传递。湍流能量谱1能量含量大尺度2惯性子区3耗散尺度湍流能量谱描述了不同尺度涡旋的能量分布。大尺度涡旋携带主要能量，通过能量级联向小尺度传递，最终在最小尺度耗散为热能。湍流统计量平均速度描述流场的整体运动趋势。湍流强度表征速度波动的剧烈程度。雷诺应力反映湍流运动对平均流的影响。相关函数描述湍流运动的空间和时间关联性。湍流边界层1粘性底层紧贴壁面，粘性效应占主导。2缓冲层粘性和惯性效应共同作用的过渡区。3对数律区速度分布呈对数关系，惯性效应占主导。4外层与自由流相接，受外流影响显著。平板边界层层流区流动平稳，速度分布呈抛物线形。转捩区层流向湍流过渡，出现不稳定性。湍流区完全发展的湍流，混合增强。湍流边界层方程组连续性方程描述质量守恒。动量方程考虑雷诺应力项的纳维-斯托克斯方程。能量方程包含湍流热通量的能量守恒方程。边界层过渡机理1初始扰动2线性增长3非线性相互作用4湍流斑点形成边界层从层流向湍流的转变是一个复杂的过程，涉及多种不稳定性机制和非线性相互作用。临界雷诺数5×10^5平板临界雷诺数基于距离前缘的距离计算。2300管道临界雷诺数基于管道直径和平均流速计算。10^6翼型临界雷诺数基于翼弦长度计算。管道内流动的转捩1层流低雷诺数下，流动呈抛物线速度分布。2间歇性湍流斑点开始出现，但未充满整个截面。3完全湍流高雷诺数下，流动完全湍化。边界层类型层流边界层流体层间平行流动，无明显混合。过渡边界层层流向湍流转变的中间状态。湍流边界层充满不规则涡旋，混合强烈。平面湍流边界层速度分布近壁区呈线性，对数区呈对数分布。湍流强度在缓冲层达到最大值，向外逐渐减小。雷诺应力在近壁区快速增加，对数区达到最大。湍流边界层压力梯度效应顺压梯度加速流动，边界层变薄。零压梯度边界层自然发展。逆压梯度减速流动，边界层增厚，易分离。湍流边界层分离分离点壁面剪应力为零的位置。分离泡分离区域内的回流区。再附着点流动重新贴附于壁面的位置。湍流边界层热传递热传导近壁区主导的热传递机制。对流换热湍流掺混增强了热量传递。湍流热通量描述湍流脉动对热量传递的贡献。湍流边界层控制减阻通过控制湍流结构降低表面摩擦阻力。延迟分离增加边界层动能，抵抗不利压力梯度。增强换热促进湍流混合，提高热传递效率。主动控制方法吸吹控制通过壁面吸气或吹气改变边界层特性。振动控制利用壁面振动抑制或激发特定湍流结构。等离子控制使用等离子体激励器影响边界层流动。被动控制方法翼型利用表面微结构减少湍流摩擦阻力。涡流发生器产生纵向涡，增强动量交换。凹坑通过表面几何改变局部流动结构。流动测量技术激光多普勒测速法工作原理利用散射粒子的多普勒频移测量流速。优点非接触、高精度、可测三维速度分量。应用广泛用于复杂流动的精细结构测量。湍流数值模拟1直接数值模拟(DNS)2大涡模拟(LES)3雷诺平均(RANS)湍流数值模拟方法根据计算精度和计算成本可分为三个层次。DNS精度最高但计算量大，RANS计算量小但精度较低，LES介于二者之间。雷诺平均方程时间平均将流动变量分解为平均值和脉动值。雷诺应力引入湍流脉动产生的附加应力项。封闭问题需要引入湍流模型来封闭方程组。湍流模型代数模型如混合长度模型，简单但适用性有限。一方程模型如Spalart-Allmaras模型，计算效率高。两方程模型如k-ε和k-ω模型，应用广泛。雷诺应力模型直接求解雷诺应力输运方程，精度高但复杂。k-ε模型湍动能k描述单位质量流体的湍流脉动动能。耗散率ε表征湍动能耗散为热能的速率。应用广泛用于工程湍流流动模拟，特别是自由剪切流。SSTk-ω模型近壁区采用k-ω模型，精确描述边界层流动。过渡区使用混合函数平滑过渡。远场转换为k-ε模型，避免自由流敏感性。壁函数原理利用近壁区流动的普适性规律桥接壁面和湍流核心区。优点减少近壁区网格数量，降低计算成本。局限性在复杂流动中可能导致精度降低。大涡模拟滤波将湍流运动分为大尺度和小尺度。直接求解大尺度涡旋直接计算。亚格子模型模拟小尺度涡旋的效应。直接数值模拟全尺度解析直接求解纳维-斯托克斯方程，不引入任何模型。高精度能够捕捉到最小尺度的湍流结构。计算挑战需