1.1湍流的特征
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1.1湍流的特征
什么是湍流？——湍流现象
平流层
对流层
~ 10 km
边界层
1~2 km
火山爆发 达芬奇描绘的湍流
杂乱、随机、无序
什么是湍流——湍流的定义
• Von.Karman和I.G Taylor对湍流的定义：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 相固流体相互流过时会产生湍流。 • Hinze对湍流的定义为：只提不规则运动不全面，“湍流的 各个量在时间和空间上表现出随机性。 • 周培源：湍流为一种不规则的涡旋(eddy)运动。
从层流到湍流（一）
从层流到湍流 Corssin and Karweit 1969
从层流到湍流（二）
从层流到湍流 Frisch (1995)
Reynolds数
• 层流～湍ห้องสมุดไป่ตู้的判据
Re
UL
UL： 外力 v： 内力
• U：特征速度 • L：特征尺度 • v：分子粘性力
分析方法
• • • • 未知数多于方程个数 方程组闭合问题 Stokes关系式 应力张量与变形率张量 Prandtl混合长度理论 湍流流体是非牛顿流体，具有粘弹性和记 忆效应
湍流的主要特征（资料）
• （8）记忆特性（相关性）。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，但这种关联随着时间间隔 或空间距离的增大而变小，最后趋近于零； • （9）间歇性。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 ; • （10）猝发与拟序结构。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。
湍流的主要特征
• （5）耗散性(Dissipation)。湍流运动由于分子粘性作用总要耗散能 量，只有不断从外部供给能量，湍流才能维持.随机运动,比如重力波、 声波都不是湍流，因为它们的粘性耗散很小。随机波和湍流的本质区 别是有无耗散。 • （6）连续性(Continuum)。湍流是一种连续介质的运动现象，即使最 小尺度的湍流也远远大于任何的分子长度尺寸，因此满足连续介质力 学的基本规律，例如N-S方程。 • （7）流动特性(Flow characteristics)。湍流不是流体的特性，而是 流体运动的特质，它的主要特点不是由分子控制的。不同的流体其湍 流特征（依赖于外部条件，如边界条件和初始条件）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；
• …………
• 到目前为止，科学界还无法给出湍流的严格的科学定义
湍流的主要特征
• （1）不规则性(Irregularity)。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法。 • （2）扩散性(Diffusivity)。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力。 • （3）大雷诺数(Large peynolds numbers)。湍流是一种在大雷诺数条件 下才出现的现象，Re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。 • （4）三维涡旋脉动(Three-dimensional vorticity fluctuations) 。湍 流是以高频脉动涡旋为特征的有旋三维运动，因此，涡旋动力学在湍流 种类中起着至关重要的作用。如果速度脉动是二维的，涡旋脉动将不能 保持。涡旋拉伸是不可能存在于二维的，例如大气中二维的龙卷风不是 湍流运动;
什么是湍流？——湍流现象
平流层
对流层
~ 10 km
边界层
1~2 km
火山爆发 达芬奇描绘的湍流
杂乱、随机、无序
什么是湍流——湍流的定义
• Von.Karman和I.G Taylor对湍流的定义：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 相固流体相互流过时会产生湍流。 • Hinze对湍流的定义为：只提不规则运动不全面，“湍流的 各个量在时间和空间上表现出随机性。 • 周培源：湍流为一种不规则的涡旋(eddy)运动。
从层流到湍流（一）
从层流到湍流 Corssin and Karweit 1969
从层流到湍流（二）
从层流到湍流 Frisch (1995)
Reynolds数
• 层流～湍ห้องสมุดไป่ตู้的判据
Re
UL
UL： 外力 v： 内力
• U：特征速度 • L：特征尺度 • v：分子粘性力
分析方法
• • • • 未知数多于方程个数 方程组闭合问题 Stokes关系式 应力张量与变形率张量 Prandtl混合长度理论 湍流流体是非牛顿流体，具有粘弹性和记 忆效应
湍流的主要特征（资料）
• （8）记忆特性（相关性）。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，但这种关联随着时间间隔 或空间距离的增大而变小，最后趋近于零； • （9）间歇性。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 ; • （10）猝发与拟序结构。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。
湍流的主要特征
• （5）耗散性(Dissipation)。湍流运动由于分子粘性作用总要耗散能 量，只有不断从外部供给能量，湍流才能维持.随机运动,比如重力波、 声波都不是湍流，因为它们的粘性耗散很小。随机波和湍流的本质区 别是有无耗散。 • （6）连续性(Continuum)。湍流是一种连续介质的运动现象，即使最 小尺度的湍流也远远大于任何的分子长度尺寸，因此满足连续介质力 学的基本规律，例如N-S方程。 • （7）流动特性(Flow characteristics)。湍流不是流体的特性，而是 流体运动的特质，它的主要特点不是由分子控制的。不同的流体其湍 流特征（依赖于外部条件，如边界条件和初始条件）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；
• …………
• 到目前为止，科学界还无法给出湍流的严格的科学定义
湍流的主要特征
• （1）不规则性(Irregularity)。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法。 • （2）扩散性(Diffusivity)。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力。 • （3）大雷诺数(Large peynolds numbers)。湍流是一种在大雷诺数条件 下才出现的现象，Re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。 • （4）三维涡旋脉动(Three-dimensional vorticity fluctuations) 。湍 流是以高频脉动涡旋为特征的有旋三维运动，因此，涡旋动力学在湍流 种类中起着至关重要的作用。如果速度脉动是二维的，涡旋脉动将不能 保持。涡旋拉伸是不可能存在于二维的，例如大气中二维的龙卷风不是 湍流运动;