湍流
不同类型的湍流参数
不同类型的湍流参数
（原创版）
目录
1.湍流的定义和分类
2.不同类型的湍流参数
3.湍流参数的测量和应用
正文
一、湍流的定义和分类
湍流是一种流体流动状态，其特点是流速和流向在时间和空间上随机变化。
根据湍流的特性和流动原因，湍流可以分为多种类型，如大气湍流、海洋湍流、河流湍流等。
不同类型的湍流具有不同的流动特点和参数。
二、不同类型的湍流参数
1.大气湍流参数
大气湍流是指在大气中发生的湍流现象。
大气湍流的主要参数包括风速、风向、湍流强度等。
其中，风速是指风的速度，风向是指风的吹向，湍流强度是指湍流对流体运动的影响程度。
2.海洋湍流参数
海洋湍流是指在海洋中发生的湍流现象。
海洋湍流的主要参数包括潮汐、潮流、波浪、海流等。
其中，潮汐是指海洋水位的周期性变化，潮流是指海水在大范围内的流动，波浪是指海水表面的起伏波动，海流是指海洋中的水流。
3.河流湍流参数
河流湍流是指在河流中发生的湍流现象。
河流湍流的主要参数包括水流速度、水流流向、河流宽度等。
其中，水流速度是指河流中的水流速度，
水流流向是指河流中水流的流向，河流宽度是指河流的宽度。
三、湍流参数的测量和应用
湍流参数的测量是研究湍流的重要手段。
通过测量湍流参数，可以了解湍流的特性和流动规律，为湍流控制和应用提供数据支持。
湍流参数的应用领域广泛，包括航空航天、海洋工程、水利工程等。
湍流的名词解释
湍流的名词解释湍流，是指在气体或者流体中，不同速度和方向的流动产生的一种混乱的、不规则的运动状态。
湍流是流体力学中重要且复杂的现象，既存在于大自然中的河流、海洋、大气层等环境中，也常常出现在工程和实验室中。
1. 湍流的特点湍流的主要特点有三个方面：不可预知性、非线性和不稳定性。
不可预知性指的是湍流过程中速度和压力分布变化快速且无规律可循。
这是由于湍流中气体或流体不同速度流动产生的涡旋相互作用，导致运动状态难以准确预测。
非线性是指湍流现象无法通过简单的线性方程来描述。
湍流运动中存在着复杂的相互作用、非线性扰动和不可控因素，这导致湍流无法通过简单的数学模型来精确描述。
不稳定性是指湍流状态很容易被外界的微小扰动所改变。
湍流中发生的各种涡旋交错运动，使得湍流处于一种非平衡状态，任何微小的扰动都会在流体中扩散并影响整个流体的运动。
2. 湍流的产生机制湍流的产生机制可以通过雷诺数（Reynolds number）来描述。
雷诺数是流体力学中用于表征流体流动性质、判断流动状态的一个无量纲数值，它由流体运动的惯性力和粘性力之比来决定。
当流体的雷诺数较小时，粘性效应主导，流体流动较为平稳，无湍流现象；当雷诺数超过一定阈值时，流体的惯性力开始占主导地位，湍流现象开始出现。
在工程和实验室中，湍流可以通过增加流体速度、改变管道和物体的形状以及引入不规则障碍物等方式来促使其发生。
3. 湍流的应用与挑战湍流的研究对许多领域具有重要意义，并且应用广泛。
例如，在航空航天中，湍流的存在对于飞机的气动力学、涡轮机械的设计和燃烧过程的优化都有重要的影响。
在能源领域，湍流的研究对于风力发电、水力发电和燃烧等方面都具有重要意义。
在环境科学中，湍流的理解可以帮助我们研究海洋和大气的流动特性。
然而，湍流的复杂性也带来了挑战。
由于湍流存在着不可预知性和非线性的特点，目前对湍流的研究仍然处于较为困难的阶段。
湍流模拟和预测的精确性仍然需要进一步提高，以满足实际应用的需求。
流体力学中的湍流问题
流体力学中的湍流问题湍流是流体力学中的一个重要问题，在许多自然界和工程领域都有广泛的应用。
本文将从湍流的定义、发展过程、湍流的特征以及湍流模型等方面进行论述。
一、湍流的定义和发展过程湍流是指流体在运动过程中出现的无规则、混乱和不可预测的流动现象。
相对于层流而言，湍流表现出不规则的速度和压力变化，流体粒子的运动路径也显得复杂多样。
湍流的发展过程可分为三个阶段：诱导阶段、展开阶段和稳定阶段。
在诱导阶段，流体的初始扰动逐渐增强，而此时流动还是以层流为主。
随着初始扰动的逐渐增强，流动进入展开阶段，此时局部的层流区域出现湍流现象。
最终，湍流将在整个流场展开，并达到稳定阶段。
二、湍流的特征湍流具有以下几个主要特征：1. 高速度和低速度的不规则变化：湍流中，流体的速度在不同位置和不同时刻都具有不规则的变化。
高速区和低速区相互交替出现，形成流体动力学的混沌状态。
2. 纵向和横向不均匀性：湍流中，流体的速度在流动方向和流动平面上都具有不均匀性。
这种不均匀性导致流体粒子的运动路径难以预测，增加了湍流流动的复杂性。
3. 湍流能量的级联：湍流的能量级联是指湍流在不同尺度上的能量转换。
湍流中，大尺度的涡旋将能量输送给小尺度的涡旋，形成能量级联的过程。
这种级联机制是湍流动力学的重要特性之一。
三、湍流模型为了研究和预测湍流的行为，科学家和工程师开发了各种湍流模型。
湍流模型的目的是通过对湍流统计性质的描述来模拟和预测湍流的运动。
常见的湍流模型包括雷诺平均纳维-斯托克斯方程（RANS）模型、大涡模拟（LES）和直接数值模拟（DNS）等。
RANS模型通过对湍流平均量进行描述，将湍流问题转化为求解均匀流动的问题。
LES模型通过将流场分解为大尺度和小尺度的涡旋，对大尺度涡旋进行直接模拟，对小尺度涡旋使用模型进行参数化。
DNS模型则通过直接求解湍流的全部动力学方程来模拟湍流的行为，但由于计算量巨大，目前只适用于一些简单的湍流问题的研究。
湍流基础知识
3.5×106
雷诺平均方程
雷诺平均 考虑到湍流的随机性， 1895 年 Reynolds 首 次将瞬时湍流看作为时均运动（描述流动的平 均趋势）+脉动运动（偏离时均运动的程度）。 以后逐渐提出空间分解和统计分解等方法。
（1）时间分解法（Reynolds的时均值概念)
如果湍流运动是一个平稳的随机过程，则在 湍流场中任一点的瞬时速度 u可分解为时均速度 ＋脉动速度。 u u u
湍流基本特征
雷诺数的影响
Re < 5 5-15 < Re < 40 40 < Re < 150 150 < Re < 3×105 3×105 < Re < 3.5×106
蠕动层流
层流尾迹中具有一对 稳定的涡 层流涡街 层流分离，湍流尾迹 边界层转捩后流动分 离 湍流涡街，但是分离 比层流窄
Re >
u i' u 'j x j
湍流平板边界层
平板边界层流动中，势流流速和压强在整个 流场中均为常数。当边界层雷诺数 达到临界值后 ，边界层流动将可能由层流转变为湍流。湍流边 界层中的流速分布、阻力规律、边界层厚度的沿 程发展等均与层流边界层不同。而且在湍流边界 层流动中又因固体壁面的光滑或粗糙而使得流动 情况发生变化。 湍流平板边界层流动是一种基本的流动现象 ，对于航空、造船、化工、水力机械和水工建筑 物的设计都有重要的意义。
x, t u' x, t
i
pi x, t pi x, t pi' x, t
对N-S方程进行系综平均，可以得到 ERANS 方 程。 u
i
xi
0
雷诺应力, Rij
湍流
湍流是流体的一种流动状态。
当流速很小时，流体分层流动，互不混合，称为层流，也称为稳流或片流；逐渐增加流速，流体的流线开始出现波浪状的摆动，摆动的频率及振幅随流速的增加而增加，此种流况称为过渡流；当流速增加到很大时，流线不再清楚可辨，流场中有许多小漩涡，层流被破坏，相邻流层间不但有滑动，还有混合。
这时的流体作不规则运动，有垂直于流管轴线方向的分速度产生，这种运动称为湍流，又称为乱流、扰流或紊流。
流体作湍流时，阻力大流量小，能量耗损增加。
实验证明，能量耗损E与速度的关系为△ E= kv2式中k是比例系数，它与管道的形状、大小以及管道的材料有关。
式中的v是平均流速。
在自然间中，我们常遇到流体作湍流，如江河急流、空气流动、烟囱排烟等都是湍流。
这种变化可以用雷诺数来量化。
雷诺数较小时，黏滞力对流场的影响大于惯性力，流场中流速的扰动会因黏滞力而衰减，流体流动稳定，为层流；反之，若雷诺数较大时，惯性力对流场的影响大于黏滞力[1]，流体流动较不稳定，流速的微小变化容易发展、增强，形成紊乱、不规则的湍流流场。
流态转变时的雷诺数值称为临界雷诺数。
一般管道雷诺数Re＜2320为层流状态，Re＞4000为湍流状态，Re＝2320～4000为过渡状态。
有效地描述湍流的性质至今仍然是流体力学中的一个重大难题。
湍流名词解释
湍流名词解释湍流(Turbulence)也称紊流(turbulent flow)或紊动(chaotic flow)，是指在一个多尺度系统中的流体，其性质随时间而变，并非仅局限于某一尺度。
湍流是指流体质点速度不断发生变化的流动，是一种非均匀、非等温、无粘性的流动。
它以局部空间速度场的突然变化为特征。
其尺度可由亚毫米到微米量级。
湍流是一种混沌现象，并且具有复杂的非线性和时变性，难以用传统的数学描述。
实际的流动通常会因受到密度梯度、压力梯度或温度梯度等影响而产生湍流。
此外，湍流具有强烈的尺度效应、时间效应和耗散效应。
湍流分析就是研究湍流形成和运动规律的科学。
相关概念如：稳态湍流，非稳态湍流，层流，紊流，湍流场，雷诺应力，热粘性力，对流，平均速度。
在湍流研究领域，根据所考虑的尺度不同，一般分为大尺度(宽带)、中尺度(窄带)、小尺度(窄带)湍流研究；其中大尺度的代表主要有：粘性流体动力学、计算流体动力学、数值模拟及应用研究。
而中尺度和小尺度的湍流研究主要有：大涡模拟、小涡模拟、湍流谱的确定、湍流的特征参数、湍流数值模拟、气固两相流动等方面。
湍流是自然界普遍存在的一种现象。
在流体流动过程中，任何地方的流动状态都可能不相同，即在同一时间内，不同地方流场的变化可能是完全不同的，这就是湍流。
其形成的原因十分复杂，既与物理过程有关，又与结构特性有关。
从不稳定性来看，湍流包括自由剪切湍流，层流转湍流，湍流预混合，湍流剪切流动，加速流动。
从不稳定性来看，湍流包括自由剪切湍流，层流转湍流，湍流预混合，湍流剪切流动，加速流动。
总之，湍流运动是高速运动的流体质点，作高速周期性旋转和相互掺混的运动。
湍流形成机制多样，每一种湍流形式又包含若干种湍流形式。
简单地说，湍流是使流体在分布和运动上呈现出剧烈变化的流动状态，它是由许多小尺度的涡旋所组成的不稳定系统。
自然界中，我们经常观察到湍流，如湍流射流、湍流海浪、喷泉和激流。
地球上各种各样的风，如山谷风、焚风等都是湍流的例子。
湍流
1.湍流简述:1.1 湍流概念湍流是流体的一种流动状态。
当流速很小时，流体分层流动，互不混合，称为层流；逐渐增加流速，流体的流线开始出现波浪状的摆动，摆动的频率及振幅随流速的增加而增加，此种流况称为过渡流；当流速增加到很大时，流线不再清楚可辨，流场中有许多小漩涡，层流被破坏，相邻流层间不但有滑动，还有混合。
这时的流体作不规则运动，有垂直于流动轴线方向的分速度产生，这种运动称为湍流。
湍流的本质是紊乱的浑沌的,但是湍流也不是完全随机的,因为它也服从流体运动的基本方程组。
如果假设某一个速度分量是完全随机的，这其余的两个分量一定会由三大守恒定律限制其脉动的范围。
在近三十年来的试验研究发现，在湍流混合层和边界层中都存在拟序结构，它们都以大尺度漩涡运动为特征。
1.2湍流能量级联过程为了描述完全发展了的湍流运动的物理过程，常假设流动是由许多尺寸完全不同的、杂乱堆集着的漩涡形成的。
旋涡的最大尺度与流动的整个空间有相同的量级，旋涡的最小尺度则由需要它耗散掉的湍流能量确定。
1.3湍流统计理论人们普遍认为纳维-斯托克斯方程组可用于描写湍流，而纳维-斯托克斯方程组的非线性使得用解析的方法精确描写湍流的三维时间相关的全部细节变得极端困难，甚至基本不可能。
退一步说，如果郑能求得这样的解，在实践问题上直接使用这个解也并不都是必要的，应为人们关心的仍是其总效、平均的性能，这些情况决定了对湍流的研究主要采用统计的、平均的方法。
湍流的统计过去主要沿两个方向发展：一个是湍流相关函数的统计理论，另一个是湍流平均量的半经验分析。
湍流的半经验理论确是另一种情况。
人们对于工程技术上迫切需要解决的问题，如管流，边界层和自由湍流等，惊醒了大量实验研究以确定湍流的特征参数，在这些实验的基础上形成湍流的半经验理论，这些理论研究将数据系统化并可以来预估类似条件下的结果1.4湍流模型由于湍流瞬时运动的极端复杂性，其不可能有一个准确解。
我们主要关心的仍是其平均参数。
湍流问题科普
湍流问题科普湍流是流体力学中一个复杂而普遍存在的现象，本文将介绍湍流的基本概念、特征、数学描述以及在工程、气象等领域的应用。
通过科普湍流问题，旨在增进读者对湍流的理解，并展示其在实际应用中的重要性。
一、引言湍流是自然界中一种复杂而普遍存在的流动现象。
从河流、大气到各种工程系统，湍流都无处不在。
本文将科普湍流问题，深入浅出地介绍湍流的基本概念、特征和数学描述，以及湍流在不同领域的应用。
二、湍流的基本概念与特征基本概念：湍流是一种无序而混沌的流动状态，其流速、压力和密度等参数呈现高度不规则的波动。
湍流特征：包括三维性、不稳定性、不可预测性和能量耗散等特征。
三、湍流的数学描述雷诺数：是描述流体运动中湍流的一个重要无量纲参数，定义为惯性力和粘性力的比值。
纳维-斯托克斯方程：描述流体的基本运动规律，但由于湍流的复杂性，纳维-斯托克斯方程难以直接解析。
湍流模型：为了模拟湍流，发展了各种湍流模型，如k-ε模型、LES模型等。
四、湍流在不同领域的应用工程领域：在空气动力学、水利工程等领域，湍流的研究对设计高效且稳定的工程系统至关重要。
气象学：大气湍流是天气系统形成和发展的基础，对气象现象的理解和预测有着重要影响。
能源行业：在风能、水能等能源利用中，湍流的研究有助于提高能源转化效率。
五、湍流问题的挑战与研究方向湍流控制：通过改变流动结构，尝试减小湍流的能量耗散，以提高系统效率。
高性能计算：运用高性能计算手段，模拟湍流现象，揭示湍流中的微观结构和相互作用。
六、结论湍流作为流体力学中的一项复杂而普遍存在的现象，其科学研究对多个领域都具有深远的影响。
通过科普湍流问题，希望读者能够更好地理解湍流的基本特征和数学描述，并认识到湍流在实际应用中的广泛重要性。
湍流
ui u j (ui u 'i )(u j u ' j ) ui u j u 'i u ' j ui u ' j u j u 'i ui u j u 'i u ' j
R u ' i u ' j
称为Reynolds应力项
4 - RANS方法
1 1 u 'i u 'i u ' j p ' u ' j 2
2） k方程模型
ij S ij
湍流扩散—— 以湍流粘性系 数进行的扩散
t / k k x j
u 'i u 'i x j x j
4 - RANS方法
■
两方程模型: k-ε模型
t c
k2
u k k uj u 'i u ' j i t x j x j x j
xj
t / k k x j
ui ui x j x j
4 - RANS方法
近壁修正—— 保证近壁处湍流粘性系数快速衰减到0
~ vt v f v1
f v1
最终的湍流粘性系数
cv1 7.1
3 3 cv31
,
~ v / v,
衰减函数
1 0.8 0.6 0.4 0.2 0 0
fv1
衰减函数
10 20 30 40
f v1 的图像
^ v/v
得到
u i
方程后，对
求导，乘以 生成
湍流基础知识
1 u ui pudu N i 1
雷诺平均方程
RANS 方程和封闭问题 N-S方程：
u i 0 xi
ui ui 2ui 1 p uj fi t x j xi x j x j
物理量的瞬态值定义为系综平均值与脉动值之和
ui x, t ui
3.5×106
雷诺平均方程
雷诺平均 考虑到湍流的随机性， 1895 年 Reynolds 首 次将瞬时湍流看作为时均运动（描述流动的平 均趋势）+脉动运动（偏离时均运动的程度）。 以后逐渐提出空间分解和统计分解等方法。
（1）时间分解法（Reynolds的时均值概念)
如果湍流运动是一个平稳的随机过程，则在 湍流场中任一点的瞬时速度 u可分解为时均速度 ＋脉动速度。 u u u
T T
雷诺平均方程
平稳随机过程
非平稳随机过程
雷诺平均方程Biblioteka （2）空间分解法（空间平均法） 如果湍流场是具有空间均匀性的随机场， 则可采用空间平均法对湍流的瞬时量进行空间 分解。即 1 u udx L （3）系综平均法（概率意义上的分解） 如果湍流运动既不是时间平稳的、也不是空 间均匀的，那么我们可在概率意义上对湍流的 瞬时运动进行分解。即
湍流基本特征
雷诺数的影响
Re < 5 5-15 < Re < 40 40 < Re < 150 150 < Re < 3×105 3×105 < Re < 3.5×106
蠕动层流
层流尾迹中具有一对 稳定的涡 层流涡街 层流分离，湍流尾迹 边界层转捩后流动分 离 湍流涡街，但是分离 比层流窄
Re >
第五章_湍流
2
r yx r yx
u u
' x 2
' y
du x du x l dy dy du x dy
2
r yx
du x l dy
无界固体壁面上的稳态湍流
取壁面上任一点为坐标原点， x 轴 与壁面重合， y 轴垂直于壁面且指 向流体内部。 u y uz 0 根据湍流运动的连续件方程
2
r d yx
为简化起见，以下的推导均略去物理量的上下标。将上式沿y积 分，得
du x r C dy du y 0, 0 u 0, u 0 , s dy C s
r ' x ' y
于是，得 du x r s dy
当流体在壁面上作湍流流动时，在壁面附近的区域内，存在一 极薄的层流内层，然后经过一很薄的缓冲层，发展成为湍流主 体。因此，求解时，因不同区域的传递机理不同应分别考虑。 在层流内层，流体的粘性应力起主导作用，雷诺应力很小可以 忽略；在湍流主体，由于质点的脉动引起的雷诺应力远远大于 粘性应力，因此可以完全忽略粘性应力的作用；而在层流内层 与湍流主体之间的缓冲层内，粘性应力和雷诺应力起同等重要 的作用，但雷诺数很大时，缓冲层的厚度很小．可以忽略不计， 此时可以认为层流内层和湍流主体的边界直接相连。下面分别 求解层流内层和湍流主体区内的解。 (1)层流内层 忽略雷诺应力，上式可化为：
除此之外，还有两个原因：一是边界层的分离；另一个原因 是当流体流过某些尖缘处时，也促成漩涡的形成。
b. 漩涡脱离原流层：若将漩涡视为旋
转柱体，则必有茹可夫斯基升力施加于 漩涡，推动它进人邻近的流层。当流动 方向由左向右而游涡顺时针旋转时，则 游涡即会产生上升的倾向。这一过程， 必须克服两种阻力：一是漩涡起动和加 速过程中的惯性力；另一个是漩涡运动 过程中的形体阻力和摩擦阻力。
第6章-湍流教学内容
运算法则
P100
❖1）瞬时值之和(差)的平均值等于各平均值之和(差)
ABAB
❖2）时均值的平均值等与原来的时均值
A A
❖3）脉动值的时均值等于零
A 0
证明见讲义P135
运算法则
❖4）两个瞬时值之积的时均值，等于两个时均值之积
与两个脉动值之积的时均值之和
A B A B A B
❖5）瞬时值导数的时均值等于时均值的导数值
➢ 于是这一流层受到了一对力偶的作用。
流层
力偶的产生
1）旋涡的形成
② 流层的波动
波动（或扰动）
❖ 当这对力偶受到来自横向干扰时就有可能产生旋涡。
❖ 某一偶然的初始扰动，使得流线呈微波状（见图a）。
❖ 波动使波峰上方流道截面变小，流速加大，压力降低“-”， 波峰下方流道截面变大，流速加大，压力加大“+”
1．流型转变—雷诺实验
❖ 湍流流动现象，最早是由雷诺观察得到的。 ❖ 1883年，他通过著名的雷诺实验，观察到当
Re>12000时，管内流动从层流转变为湍流流动。
❖ 此时，流线不再呈现有规律的层状流动，而
是在各个方向上呈现出杂乱无章地，以大小不 同的流速运动，同时发生强烈的混合，总的流 动方向还是指向下游。
A A （对空间坐标求导） x x
A A （对时间求导） t t
6. 湍流强度 I（intensity of turbulence）
在湍流研究中，常常需要比较两种流动中湍流脉动 的强弱，湍流脉动的激烈程度可以用脉动速度和时均
速度之比来衡量，称为湍动强度，即
大于阻力，即当产生的惯性力大于粘性力，涡团产生 跳跃，脱离原处进入新的流层。
当惯性力大于粘性力
湍流的概念
湍流的概念湍流的概念湍流是一种不规则、混沌的流动状态，它是一种非线性流动，具有高度的复杂性和不可预测性。
在自然界中，湍流广泛存在于大气、海洋、河流等许多自然系统中。
在工程领域中，湍流也是一个重要的问题，因为它会影响机械设备的性能和寿命。
一、湍流的产生1.1 流体运动的稳定性当液体或气体通过管道或河道等管状结构时，其运动状态可能会发生变化。
如果液体或气体运动状态呈现出稳定的层状结构，则称为层流；如果液体或气体运动状态呈现出不规则、混乱的结构，则称为湍流。
1.2 流速和粘度当液体或气体速度较低时，其运动状态通常呈现出层状结构；当速度增加到一定程度时，其运动状态就会从层状结构转变成不规则、混乱的结构。
此时，粘度对湍流产生影响。
1.3 流体阻力当液体或气体通过管道或河道等管状结构时，其运动状态会受到管道或河道表面的阻力影响。
如果液体或气体速度较低，阻力也相对较小，此时运动状态呈现出层状结构；如果液体或气体速度增加到一定程度，阻力也会增加，此时运动状态就会从层状结构转变成不规则、混乱的结构。
二、湍流的特征2.1 非线性湍流是一种非线性流动，其运动状态具有高度的复杂性和不可预测性。
在湍流中，各种物理量（如速度、压力等）之间相互作用，并且存在着多个时间和空间尺度上的变化。
2.2 不规则湍流是一种不规则的流动状态。
在湍流中，液体或气体的速度和压力分布呈现出高度不规则、混乱的结构。
2.3 涡旋湍流中存在着许多大小不同、形状各异的涡旋。
这些涡旋是湍流中能量传递和耗散的基本单位。
2.4 能量耗散在湍流中，能量从大尺度向小尺度传递，并最终以分子热运动形式耗散。
湍流能量耗散是湍流研究的重要问题之一。
三、湍流的数学模型3.1 Navier-Stokes方程组Navier-Stokes方程组是描述流体运动的基本方程，它包括质量守恒、动量守恒和能量守恒三个方程。
这些方程可以用于描述层流和湍流两种不同的流动状态。
3.2 Reynolds平均Navier-Stokes方程组Reynolds平均Navier-Stokes（RANS）方程组是一种经典的湍流模型，它是通过对Navier-Stokes方程组进行时间平均得到的。
第五章 湍流
• Re<2000层流； • 2000<Re<4000～12000，过渡流； • Re>4000～12000 湍流 与层流相比，湍流流动无论在现象、规律及处 理方法上都有着很大的差别。湍流理论上要研 究以下两方面的问题：①揭示湍流产生的原因； ②研究已经形成的湍流运动的规律，以便解决 工程实际问题。但遗憾的是，由于湍流流动的 复杂性，截至目前还没有一个完整的理论能够 满意地解决湍流流动的所有问题。
1
湍流脉动速度的时均值为零
0
u x d
u ux ux
' x
u x u x u x; u y u y u y ; u z u z u z; p p p
u
' x
1
u
1
0
0
' ux d
x
u x d
1
0
u x d u x
令
r xx r yx r zx
u ' xu ' x u xu y
' '
u zu x
' '
上式称为雷诺应力，或称为湍流应力，由湍流脉动产生。
xx
t xx
r xx r yx r zx
yx
t yx
zx
取时均，得
Du x u x u x u x u x u y u z u x ＋ D x y z
u xu x u x u x x 2 ' '2 u x 2u x u x ux x
湍流是什么意思
湍流是什么意思
湍流是流体的一种流动状态。
当流速很小时，流体分层流动，互不混合，称为层流，也称为稳流或片流；
逐渐增加流速，流体的流线开始出现波浪状的摆动，摆动的频率及振幅随流速的增加而增加，此种流况称为过渡流；当流速增加到很大时，流线不再清楚可辨，流场中有许多小漩涡，层流被破坏，相邻流层间不但有滑动，还有混合。
这时的流体作不规则运动，有垂直于流管轴线方向的分速度产生，这种运动称为湍流，又称为乱流、扰流或紊流。
第五章湍流的特点及表征
2 故 u x =
11
2 13.29cm/s 即 u x 13.29 3.65
则湍流强度为
2 u 3.65 x I 0.065 ux 76.3
第五章 湍 流
5.1 湍流的特点与表征
5.2 湍流时的运动方程
一、雷诺转换与雷诺应力
二、雷诺方程的分析
一、雷诺转换与雷诺应力
应力是由流体粘性引起， 即分子的随机运动引起的 动量交换
层流速度分布：抛物线
湍流的速度分布：分布较层流 均匀
二、湍流的表征
1.时均量与脉动量
ux = ux +u x ' u y = u y +u y ' uz uz uz
ux ,u y ,uz －瞬时速度 ux ,u y ,uz －时均速度 u'x ,u'y ,u'z －脉动速度
连续性方程乘以ρux
（1）与（2）相加得
ux u y uz ρux ( )0 x y z
（2）
ux 2 (u y ux ) (uz ux ) τ xx τ yx τ zx ρ( ) ρX x y z x y z
一、雷诺转换与雷诺应力
一、雷诺转换与雷诺应力
连续性方程的雷诺转换
ux u y uz 0 x y z
u x u y u z 0 x y z
f1 f 2 f1 f 2
f1 f1 f1 f1 f1 f1 , , x x y y z z
(2) f1 f 2 f1 f 2
(1)
(3)
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f1 f 2 f1 f 2 f1 f 2
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湍流名词解释
湍流名词解释湍流是指含沙量较高的水流遇到明显的阻碍时，由于摩擦力和粘滞力不能克服水流对水流所产生的侧向剪切力而造成水流呈不稳定状态的一种运动。
其实质是多股水流相互作用，使泥沙在紊动中产生旋转，大部分沙粒又因惯性下沉而发生涡动。
湍流层出现在垂直水深方向上含沙量有变化的各种过渡带内，如河口、三角洲、海湾等处，在相应的底部和表层水流中。
湍流也叫混合流。
因为紊动速度具有很大的不规则性。
凡泥沙运动不仅含有随机因素，而且还存在着规律性，这就是说不同地点所形成的紊动速度及其组成成分都不相同，如沿河床运动的底层泥沙所形成的紊动速度，与冲积平原区的紊动速度不同；但总体来讲，都是指紊流。
通常把紊动速度或最大紊动速度取0～3m/s的流动区段，称为湍流区。
所以，紊流区可视为含沙量梯度减小的区域。
表示湍流流速分布的参数，如水深、平均紊流强度及紊流脉动幅值，都是指示性的。
若按能量守恒原理，紊动强度应由紊动功耗散而减小，但事实上紊动强度会增大，这是因为紊动能使一部分泥沙悬浮于水中，当它们离开原来的位置而运动时，不可避免地将带走更多的能量，使紊动强度增大。
湍流区上游的含沙量多于下游，反之亦然。
但此比例系数与泥沙粒径和分选程度无关。
表示含沙量或泥沙粒径均匀性的指标。
有加拿大克朗代尔提出的比沙值，是取沙河流每公里面积上沙粒平均重量为100吨，计算得到，具有很好的代表性。
用比沙值估计湍流输沙率，只适用于粗沙或沙粒径5毫米以上的细沙，不适用于其他细沙或中沙。
表示泥沙粒径均匀性的指标，为单粒级含沙量比值的平方根，为表示泥沙颗粒大小的指标。
与比沙值相似，也取一定河流的泥沙平均粒径为100吨，求算出单粒级含沙量的平方根，以判断河流泥沙分选程度的指标。
按沙粒径，可分为粗沙和细沙两类。
概念：从宏观尺度看，自由水面下各种运动状态的水流称为紊流，是大气边界层的一个组成部分；而从微观角度看，水体质点的运动受粘滞力影响并呈现出随机性的称为湍流，它是一种十分复杂的流动形式，有的湍流局部区域存在扰动后，将形成“有旋涡的湍流”，其大小、方向、长短随时间改变而改变，往往旋涡会变得十分复杂，而成为一种流动奇异现象。
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引言
➢ 湍流研究的内容和手段
1. 认识湍流： 利用实验或数值模拟为某些湍流流动提供定性或定量的流动信息
2. 模拟预测湍流： 对湍流进行理论或模式研究，建立可行的数学模型来准确预测湍流
3. 控制湍流： 利用实验、理论、数值模拟等手段，研究湍流流动的控制方案 减小阻力、增强混合、延迟转捩、控制分离
雷诺实验
➢ 常见的随机声波(噪声)也是一种随机运动，但它的粘性损 耗很小，本质上是非耗散的，因此不属湍流的范畴。
湍流的分类
湍流的分类
自然界和工程技术中遇到的绝大多数流动是湍流。 对此可以举出许多例子，比如地球大气边界层、较高的 对流层、太阳风中地球的尾迹、海洋中的水流、河流和 沟渠内的水流、船舶和飞机的尾流等。根据Ferziger （1983）的建议，可将湍流大致分为：
——开辟了湍流统计理论的道路
提出了雷诺应力的封闭问题
分子运动对湍流脉动的比拟
Boussinesqe 湍涡粘度
Prandtl
混合长度
近代湍流的奠基人
G.I. Taylor 英国 随机涡
N. Kolmogorov 苏联 各向同性湍流
周培源
中国 湍流模式理论
Osborne Reynolds
（1842－1912）
➢ 由于大涡单位质量的动能为0.5u2，能量传输率应为u3/l。 在某些剪切湍流中，也会出现能量的反向传递。
湍流的耗散性
6.湍流的耗散性（dissipation）。
➢ 在最小尺度涡的脉动中，能量不断被粘性转换为热，从 而不会进一步出现更小乃至无限小尺度的运动。
➢ 为补偿粘性耗散，湍流需要不断补充能量，湍流中能量 耗散率应与能量传输率相当，否则将很快衰减。
➢ 控制流动状态的参数为雷诺数 Re UmD /
➢ 雷诺数存在上下两个临界值
下临界雷诺数 Rec1 ： 层流 Re Rec1 上临界雷诺数 Rec2 ： 湍流 Re Rec2
雷诺测得： Rec1 2020 近代实验： 1760 Rec1 2300
Rec2 12830
Rec2 ~ 105
(1)
➢ 在局部高强度脉动处会形成湍斑，
它们是被层流包围着的局部湍流区，
猝发和湍流斑的出现是随机的，见
图中区域（5）。
(2) (3) (4) (5) (6)
➢ 在向下游继续发展的过程中，湍斑 不断扩大和合并，最后使边界层迅 速进入完全的湍流状态，见图中区 域（6）。
湍流运动的基本特征
湍流运动的不规则性
湍流能量的强输运性
5.湍流的另一个特性是能量的强输运性。
➢ 湍流中能量不断地由大涡向小涡逐级输运，通过与次级 尺度涡的相互作用，不断把动能传递给小尺度的涡。
➢ 根据Taylor(1953)的观点，大涡向小涡输运能量的过程中， 速率与大涡时间尺度l/u的倒数成正比。这里l是湍流大涡 旋的尺度或积分尺度。
转捩
➢ 层流在变成充分发展了的湍流之前，存在一个过 渡区，其间层流和湍流间歇出现，称为为间歇区。
➢ 我们把确定位置上呈现湍流的时间与总时间的比 值称为间歇因子，γ=0为层流， γ=1为充分发展 了的湍流， 0<γ<1为过渡状态。
➢ 目前还没有建立起一种理论可对转捩作出令人满 意的分析和阐述。
➢ 湍流的转捩和形成机理的研究是目前湍流研究的 基本问题之一。
湍流概论
Turbulence Introduction
粘性流体: 层流和湍流
➢层流: 低雷诺数
流体质点作有规则的分层运动， 如果将流体着色，可以清楚地观察到流线的分布。 流体动力学的研究对流体的层流运动已经有了足够的认识
➢湍流: 高雷诺数
随着雷诺数的增大，会出现流体质点与周围流体混乱掺合的现象，流动 的秩序消失，迹线变成极度混乱的无规则脉动。 湍流理论又是物理学和流体力学历经百年而未能解决的基本问题之一。 湍流的研究具有重要的理论和实际意义。
湍流的分类
3）固壁湍流
产生于固壁附近又不断受到固壁影响的湍流称为固壁湍流， 是剪切湍流的一种。固壁的存在将限制或减少湍流边界层内 大尺度涡结构的快速增长，致使边界层内的湍流发展较慢。 由于近壁流场中一系列的猝发事件，使得固壁湍流现象更加 复杂。
湍流边界层由内外两区组成。 近壁极薄的一层内流体速度极低，这里的湍流切应力和速度 脉动都很小，粘性力远大于惯性力，称为粘性底层；粘性底 层外是一个过渡层，其中脉动剧烈，湍流切应力显著增大； 再向外是惯性次层，其速度满足对数分布律，湍流切应力占 主导地位。这三层组成湍流边界层的内区，厚度约为边界层 的20%，其余部分为湍流边界层的外区。
湍流特征尺度的多重性
2. 特征尺度的多重性（multiple scales）是湍流的另 一个重要特性。
➢ 根据Reynoulds的观点，湍流脉动具有很宽的频谱。 ➢ 在湍流中，非线性机理不断产生越来越小的涡旋，形成
从大到小的涡谱系。
➢ 最大涡的特征尺度可以与流动域的特征尺度相当，它的 结构与流动产生的外部环境密切相关。
量分子群的平均不规则运动 湍流流动的最小时间尺度和最小空间尺度都远远大于分子热运动
的相应尺度，因此湍流的不规则运动产生的质量、动量和能 量的输运将远远大于分子热运动产生的宏观输运 湍流场中质量和能量的平均扩散远远大于层流扩散。例如，在化 学反应器中，为了加速化学反应，常常利用搅拌产生湍流以 加强流动中反应物的质量扩散。
均匀各向同性湍流 自由剪切湍流 固壁湍流
湍流的分类
1）均匀各向同性湍流
湍流中小尺度涡旋运动的随机特征表明流场具有各向同性的 倾向，假定流体可以向各方向无限扩展，在不存在平均速度 梯度的情况下，湍流在空间的各点位置的脉动速度的统计学 特征相同，称为均匀各向同性湍流，这是一种理想化的模型。
实际上，流动会受到固体边界等各种因素的影响，湍流运动 不是各向同性的。但对于微尺度的小涡，其结构具有各向同 性的特点，与流动产生的外部条件无关称为局部各向同性湍 流（Kolmogorov第一假设）。
湍流的统计平均方法
湍流运动的统计平均方法
统计理论是处理随机现象的有力工具，象投币这种具有随机性的问 题，从统计分析的结果来看，正反面出现的概率是确定的。
由于湍流运动的随机性，要准确描述和预测每一瞬时、 每一空间点上的流动物理量是极为困难的。虽然湍流的瞬时 流场是极不规则的，但它具有规则的统计平均特性。因此统 计平均是湍流研究的重要方法，统计平均方法有很多种，在 湍流研究中最常用的平均方法有三种：
雷诺圆管流动显示实验
雷诺实验
层流 Laminar Flow
湍流 Turbulent Flow
湍流中的涡结构 Eddy Structure
雷诺实验
➢ 流体的运动存在两种截然不同的状态：层流状态和湍流状态。在某 些条件下，流动可以从层流转变为湍流，从层流向湍流的过渡称为 转捩（Transition）。
1. 湍流的基本特性之一是随机性（randomness）、 即不规则性。
➢ 这种随机性使得湍流难以在两次重复实验中得到完全相 同的结果。
➢ 对湍流进行重复测试，即便在同一时刻和同一空间点所 测得的的瞬时流速也是不相同的。与投掷硬币十分类似。
➢ 湍流具有随机性的另一层含义是：湍流在一些情况下存 在拟序性，即在小尺度随机运动的背景上，存在某种非 常稳定的拟序结构，但拟序结构产生的时间和空间位置 却仍然具有随机性。
平板边界层的转捩
➢ 观察表明，在平板前端边界层保持稳定 的层流状态，见图中的区域（1）
➢ 失稳后的边界层中首先出现一定频率和 波长的二维行波，称为TollmienSchlichting波，其波长约为边界层位移 厚度的10-20倍，相速度约为均匀来流 速度的三分之一。在向下游传播的过程 中，振幅不断增大，见图中区域（2）。 波产生的原因是边界层作为剪切层，其 (1) (2) (3) (4) (5) (6) 中的涡量总是具有形成一定尺度旋涡结 构的倾向，在上游这种倾向为涡量的扩 散效应所抑制；随着下游边界层变厚， 涡量梯度变小，扩散效应减弱，形成了 这种较弱的有组织的涡结构（波），因 此波也被称为涡量波。
➢ 湍流中最小涡尺度称为Kolmogorov尺度，由于能量在最 小涡中耗散，
➢ 通过对湍流进行频谱分析(spectrum analysis)，可以得到不 同湍流各自的频谱图。
湍流三维涡量脉动
3. 湍流的第三个特性是它具有很强的三维涡量脉动 （rapid 3D vorticity fluctuation）
G.I. Taylor
（1886－1975）
引言
20世纪60年代湍流研究有三个突出进展
• 切变湍流中大尺度拟序结构的发现
Townsend和Corrsin发现切变湍流的间歇现象，推测湍流脉动中存在大尺度结构 Kline在湍流边界层中观察到重复出现的低速条带运动和猝发现象 Brown和Roshko在湍流混合层中也观察到拟序的展向涡结构
湍流运动的不规则性
➢
图（7.1）现实的是 Re=5200 的圆管湍流流动，圆管中心处流向
瞬时间序列的两次测量结果。可以看出，两次采样的速度序列及不
规则，速度值在一平均值附近随机涨落，且两次实验结果不重复。
湍流运动的不规则性
不规则运动与分子热运动的区别
分子热运动：单个分子级别 湍流是在连续介质范畴内流体微团的不规则运动，或者说它是巨
——拟序结构是湍流产生和维持的关键机制
• 混沌现象
Lorenz 奇异吸引子 混沌现象的说明有结构的不规则运动可以是确定性非线性微分方程本身的性质
——牛顿流体湍流运动是N-S方程在高雷诺数条件下的不规则解
• 湍流的直接数值模拟
直接数值求解完整的、三维非定常的N-S方程 Orzsag等 (1972)年在32x32x32的网格下计算了各向同性湍流 Kim, Moin, Moser (1987) 槽道湍流 Spalart 湍流边界层