2010139 湍流概论(中英文)(2011)

天津大学《湍流概论》课程教学大纲
课程编号：2010139课程名称：湍流概论
学时：32 学分： 2.0
学时分配：授课：32 上机：实验：实践：实践（周）：
授课学院：机械学院
适用专业：工程力学
先修课程：流体力学、粘性流体力学
一、课程的性质与目的
通过本课程的学习，使学生树立用发展的观点，与时俱进的观点研究湍流的思想，要善于通过学科交叉与融合，引进新思想、新理论、新方法研究湍流，要了解目前湍流研究的前沿课题和发展方向，通过学研结合、加强实践环节，培养和提高学生从事湍流研究的能力。

二、教学基本要求
通过本课程的学习，应当使学生首先认识湍流运动的基本特征、基本规律、基本描述方法和基本研究方法，这是研究和应用湍流理论的基础。

在此基础上，进一步掌握湍流的基本方程、湍流分析理论和方法、湍流测量技术。

最后，要求学生了解目前湍流研究的前沿课题和发展方向，包括湍流的现代高级数值模拟技术（直接数值模拟和大涡模拟），湍流现代模式理论，湍流相干结构，湍流现代统计理论模型，湍流测量的新技术和新成果。

三、教学内容
第一章：湍流概述
第一节：湍流现象与湍流的产生
第二节：湍流的外在特征与湍流本质
第三节：湍流研究的方法与湍流研究的历史回顾
第四节：湍流与现代工程技术进步
第二章：湍流物理
第一节：湍流物理
第二节：湍流的唯象理论
第三节：湍流的相关与尺度
第三章：湍流的实验测量
第一节湍流中的特征尺度及其测量
第二节湍流数字信号处理
第三节湍流的热线测量
第四节湍流的激光测速
第五节湍流的流动显示
第六节PIV及其进展
第四章：湍流基本方程
第一节：研究湍流的平均方法
第二节：湍流的平均运动方程
第三节：湍流的脉动方程与湍动能方程
第四节：雷诺应力微分方程
第五节：湍流耗散率微分方程
第六节：湍流涡量动力学与平均标量方程
第七节：湍流中的输运与扩散
第八节：梯度扩散与涡黏性假设
第五章：工程湍流模式及其应用
第一节：湍流关联的模拟原则
第二节：湍流经典模式理论（零方程模型）涡黏性模型与混合长度理论第三节：雷诺应力微分模型
第四节：代数应力模型
第五节：k-ε模型与一方程模型
第六章：湍流统计理论
第一节：湍流中的关联函数
第二节：湍谱分析、K-H方程与能谱方程
第三节：湍流的平衡与衰减
第四节：湍流结构的间歇性与局部相似理论
第五节：湍流中的结构、尺度、及能量串级理论第六节：湍流层次结构理论与湍流奇异标度律第七章：湍流高级数值模拟
第一节：湍流的分辨率与计算机技术
第二节：湍流的大涡模拟
第三节：湍流的亚格子尺度模型
第四节：湍流直接数值模拟
第八章剪切湍流
第一节：圆柱尾流
第二节：自由湍射流
第三节：湍流边界层
第四节：湍流相干结构
四、学时分配
五、评价与考核方式
平时成绩20%，期末考试80%
六、教材与主要参考资料
[1]S. Pope, “Turbulent Flows,” Cambridge University Press, (2000).
[2]H. Tennekes and J.L. Lumley, A First Course in Turbulence, MIT Press (1972).
[3]J.O. Hinze, "Turbulence," McGraw Hill (1975).
TU Syllabus for An Introduction to Turbulence Code: Title: 2010139 Semester Hours: 32 Credits: 2.0
Semester Hour Structure Lecture：32 Computer Lab：Experiment：Practice：Practice (Week)：
Offered by: School of Mechanical Engineering
for: Engineering Mechanics
Prerequisite: Fluid Mechanics，Viscous Fluid Dynamics
1. Objective
∙To provide the students with a fundamental understanding of turbulent flows.
∙To familiarize the students with the stochastic and chaotic nature of turbulence.
∙To provide the students with the tools for modeling turbulent flows.
∙To familiarize the students with the statistical theories of turbulence.
∙To familiarize the student with simulation techniques in turbulent flows.
∙To familiarize the students with applications of turbulence in industry and environment.
2. Course Description
Fundamental aspects of turbulent flow will be discussed. Examples will be drawn from experimental and numerical studies of homogeneous turbulence, mixing layers, jets, wakes and boundary layers. Applications in engineering and in nature will be considered. Analytical tools to describe turbulent flows and associated mixing will be studied.
3. Topics
Chapter1 An introduction to turbulent flows
Turbulence phenomena and turbulence production
Turbulence character and turbulence nature
Turbulence research method and history review
Turbulence research and modern engineering-technology advance
Chapter 2 PHYSICS OF TURBULENCE
Physics of Turbulence
Phenomenological Theories
Correlation and Characteristic Scales
Chapter 3 Turbulence experiments and measurement The characteristic scale and measurement in turbulence
Turbulence digital signal process
Hot-wire anemometry
Laser Doppler velocimetry
Flow visualization
Particle Image velocimetry
Chapter 4 Mean flow equations
Turbulence average methods
Reynolds mean equations
Fluctuation equation and turbulent kinetic energy equation Reynolds stress equations
Turbulence dissipation
V orticity Dynamics and mean scalar equation
Turbulent transfer and diffusion
Gradient diffusion and eddy-viscosity hypothesis
Chapter 5 TURBULENCE MODELING
Zero Equation Models
Eddy Viscosity
Mixing Length Hypothesis
ε
k Models
-
Stress Transport Models
Second-order Modeling
Chapter 6 Statistical theory of turbulence
The energy cascade and Kolmogorov hypothesis
Fourier spectra and energy spectrum
Karman-Howarth Equations
Kolmogorov spectra, Inertial subrange and dissipation spectra Structure function and scaling law
Intermittency and anomalous scaling law
Chapter 7 Advanced numerical simulation
Direct Simulations
Large-Eddy Simulations
Subgrid-Scale Modeling
Chapter 8 Turbulent shear flows
Free Shear Flows
Wall-bounded Shear Flows
Boundary Layer Flows
Coherent structure
4. Semester Hour Structure
Exam 1 10% ，Exam 2 10%，Final exam 80%
6. Text-Book & Additional Readings
[1]S. Pope, “Turbulent Flows,” Cambridge University Press, (2000).
[2]H. Tennekes and J.L. Lumley, A First Course in Turbulence, MIT Press (1972).
[3]J.O. Hinze, "Turbulence," McGraw Hill (1975).。