1湍流的特征課件

1.1湍流的特征

.1.1湍流的特征.1什么是湍流？——湍流現(xiàn)象.什么是湍流？——湍流現(xiàn)象.2..3..4~10km1~2

km對(duì)流層平流層邊界層.~10km1~2km對(duì)流層平流層邊界層.5雜亂、隨機(jī)、無序達(dá)芬奇描繪的湍流火山爆發(fā).雜亂、隨機(jī)、無序達(dá)芬奇描繪的湍流火山爆發(fā).6什么是湍流——湍流的定義Von.Karman和I.GTaylor對(duì)湍流的定義：湍流是流體和氣體中出現(xiàn)的一種無規(guī)則流動(dòng)現(xiàn)象，當(dāng)流體流過固體邊界或相固流體相互流過時(shí)會(huì)產(chǎn)生湍流。Hinze對(duì)湍流的定義為：只提不規(guī)則運(yùn)動(dòng)不全面，“湍流的各個(gè)量在時(shí)間和空間上表現(xiàn)出隨機(jī)性。周培源：湍流為一種不規(guī)則的渦旋(eddy)運(yùn)動(dòng)?！侥壳盀橹?，科學(xué)界還無法給出湍流的嚴(yán)格的科學(xué)定義.什么是湍流——湍流的定義Von.Karman和I.GTay7

湍流的主要特征（1）不規(guī)則性(Irregularity)。這是所有湍流的特性，從動(dòng)力學(xué)的觀點(diǎn)來看，湍流必定是不可預(yù)測(cè)的，研究湍流大多是用統(tǒng)計(jì)的方法。（2）擴(kuò)散性(Diffusivity)。這是湍流的另一個(gè)重要性質(zhì)，它加速流體混合，增加動(dòng)量、熱、質(zhì)量交換的速率。如果某種流動(dòng)雖然是隨機(jī)的，但是它在周圍的流體中不出現(xiàn)擴(kuò)散現(xiàn)象，那么肯定不是湍流，例如噴氣式飛機(jī)的尾跡。湍流具有比分子運(yùn)動(dòng)強(qiáng)得多的擴(kuò)散能力。（3）大雷諾數(shù)(Largepeynoldsnumbers)。湍流是一種在大雷諾數(shù)條件下才出現(xiàn)的現(xiàn)象，Re越高，層流流動(dòng)變得不穩(wěn)定而出現(xiàn)湍流。隨機(jī)性和非線性特性使湍流方程的求解相當(dāng)棘手。（4）三維渦旋脈動(dòng)(Three-dimensionalvorticityfluctuations)。湍流是以高頻脈動(dòng)渦旋為特征的有旋三維運(yùn)動(dòng)，因此，渦旋動(dòng)力學(xué)在湍流種類中起著至關(guān)重要的作用。如果速度脈動(dòng)是二維的，渦旋脈動(dòng)將不能保持。渦旋拉伸是不可能存在于二維的，例如大氣中二維的龍卷風(fēng)不是湍流運(yùn)動(dòng);.湍流的主要特征（1）不規(guī)則性(Irregul8

湍流的主要特征（5）耗散性(Dissipation)。湍流運(yùn)動(dòng)由于分子粘性作用總要耗散能量，只有不斷從外部供給能量，湍流才能維持.隨機(jī)運(yùn)動(dòng),比如重力波、聲波都不是湍流，因?yàn)樗鼈兊恼承院纳⒑苄　ｋS機(jī)波和湍流的本質(zhì)區(qū)別是有無耗散。（6）連續(xù)性(Continuum)。湍流是一種連續(xù)介質(zhì)的運(yùn)動(dòng)現(xiàn)象，即使最小尺度的湍流也遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于任何的分子長度尺寸，因此滿足連續(xù)介質(zhì)力學(xué)的基本規(guī)律，例如N-S方程。（7）流動(dòng)特性(Flowcharacteristics)。湍流不是流體的特性，而是流體運(yùn)動(dòng)的特質(zhì)，它的主要特點(diǎn)不是由分子控制的。不同的流體其湍流特征（依賴于外部條件，如邊界條件和初始條件）往往也不一樣，例如邊界層湍流與尾跡湍流，所以工程上很難對(duì)湍流進(jìn)行統(tǒng)一的模式處理，但是湍流的一些本質(zhì)特征是普適的，尋找這些普遍規(guī)律正是湍流理論研究的中心任務(wù)；.湍流的主要特征（5）耗散性(Dissipat9

湍流的主要特征（資料）（8）記憶特性（相關(guān)性）。湍流運(yùn)動(dòng)在不同的時(shí)刻或空間不同點(diǎn)上并不是獨(dú)立的，而是有相互關(guān)聯(lián)，但這種關(guān)聯(lián)隨著時(shí)間間隔或空間距離的增大而變小，最后趨近于零；（9）間歇性。內(nèi)間歇：充分發(fā)展的湍流場(chǎng)中某些物理量（特別是高階統(tǒng)計(jì)量）并不是在空間（或時(shí)間）的沒一點(diǎn)上都存在的，即有奇異性。外間歇：指湍流區(qū)與非湍流區(qū)邊界的時(shí)空不確定性，例如積云與藍(lán)天之間的界面。間歇現(xiàn)象是近代湍流研究的重大發(fā)現(xiàn)之一，目前是湍流理論研究的前沿課題;（10）猝發(fā)與擬序結(jié)構(gòu)。這也是近代湍流研究的重大發(fā)現(xiàn)，試驗(yàn)表明，在湍流混合層和剪切湍流邊界層中存在大尺度的相干結(jié)構(gòu)和猝發(fā)現(xiàn)象，說明湍流不是完全無秩序、無內(nèi)部結(jié)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)。這促使人們改變了對(duì)湍流的某些傳統(tǒng)觀念。.湍流的主要特征（資料）（8）記憶特性（相關(guān)性10從層流到湍流（一）從層流到湍流CorssinandKarweit1969.從層流到湍流（一）從層流到湍流CorssinandKa11從層流到湍流Frisch(1995)從層流到湍流（二）.從層流到湍流Frisch(1995)從層流到湍流（二）.12Reynolds數(shù)層流～湍流的判據(jù)U：特征速度L：特征尺度UL：外力v：分子粘性力v：內(nèi)力.Reynolds數(shù)層流～湍流的判據(jù).13..14分析方法未知數(shù)多于方程個(gè)數(shù)方程組閉合問題Stokes關(guān)系式應(yīng)力張量與變形率張量Prandtl混合長度理論湍流流體是非牛頓流體，具有粘彈性和記憶效應(yīng).分析方法未知數(shù)多于方程個(gè)數(shù)方程組閉合問題151.1湍流的特征

.1.1湍流的特征.16什么是湍流？——湍流現(xiàn)象.什么是湍流？——湍流現(xiàn)象.17..18..19~10km1~2

km對(duì)流層平流層邊界層.~10km1~2km對(duì)流層平流層邊界層.20雜亂、隨機(jī)、無序達(dá)芬奇描繪的湍流火山爆發(fā).雜亂、隨機(jī)、無序達(dá)芬奇描繪的湍流火山爆發(fā).21什么是湍流——湍流的定義Von.Karman和I.GTaylor對(duì)湍流的定義：湍流是流體和氣體中出現(xiàn)的一種無規(guī)則流動(dòng)現(xiàn)象，當(dāng)流體流過固體邊界或相固流體相互流過時(shí)會(huì)產(chǎn)生湍流。Hinze對(duì)湍流的定義為：只提不規(guī)則運(yùn)動(dòng)不全面，“湍流的各個(gè)量在時(shí)間和空間上表現(xiàn)出隨機(jī)性。周培源：湍流為一種不規(guī)則的渦旋(eddy)運(yùn)動(dòng)?！侥壳盀橹?，科學(xué)界還無法給出湍流的嚴(yán)格的科學(xué)定義.什么是湍流——湍流的定義Von.Karman和I.GTay22

湍流的主要特征（1）不規(guī)則性(Irregularity)。這是所有湍流的特性，從動(dòng)力學(xué)的觀點(diǎn)來看，湍流必定是不可預(yù)測(cè)的，研究湍流大多是用統(tǒng)計(jì)的方法。（2）擴(kuò)散性(Diffusivity)。這是湍流的另一個(gè)重要性質(zhì)，它加速流體混合，增加動(dòng)量、熱、質(zhì)量交換的速率。如果某種流動(dòng)雖然是隨機(jī)的，但是它在周圍的流體中不出現(xiàn)擴(kuò)散現(xiàn)象，那么肯定不是湍流，例如噴氣式飛機(jī)的尾跡。湍流具有比分子運(yùn)動(dòng)強(qiáng)得多的擴(kuò)散能力。（3）大雷諾數(shù)(Largepeynoldsnumbers)。湍流是一種在大雷諾數(shù)條件下才出現(xiàn)的現(xiàn)象，Re越高，層流流動(dòng)變得不穩(wěn)定而出現(xiàn)湍流。隨機(jī)性和非線性特性使湍流方程的求解相當(dāng)棘手。（4）三維渦旋脈動(dòng)(Three-dimensionalvorticityfluctuations)。湍流是以高頻脈動(dòng)渦旋為特征的有旋三維運(yùn)動(dòng)，因此，渦旋動(dòng)力學(xué)在湍流種類中起著至關(guān)重要的作用。如果速度脈動(dòng)是二維的，渦旋脈動(dòng)將不能保持。渦旋拉伸是不可能存在于二維的，例如大氣中二維的龍卷風(fēng)不是湍流運(yùn)動(dòng);.湍流的主要特征（1）不規(guī)則性(Irregul23

湍流的主要特征（5）耗散性(Dissipation)。湍流運(yùn)動(dòng)由于分子粘性作用總要耗散能量，只有不斷從外部供給能量，湍流才能維持.隨機(jī)運(yùn)動(dòng),比如重力波、聲波都不是湍流，因?yàn)樗鼈兊恼承院纳⒑苄?。隨機(jī)波和湍流的本質(zhì)區(qū)別是有無耗散。（6）連續(xù)性(Continuum)。湍流是一種連續(xù)介質(zhì)的運(yùn)動(dòng)現(xiàn)象，即使最小尺度的湍流也遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于任何的分子長度尺寸，因此滿足連續(xù)介質(zhì)力學(xué)的基本規(guī)律，例如N-S方程。（7）流動(dòng)特性(Flowcharacteristics)。湍流不是流體的特性，而是流體運(yùn)動(dòng)的特質(zhì)，它的主要特點(diǎn)不是由分子控制的。不同的流體其湍流特征（依賴于外部條件，如邊界條件和初始條件）往往也不一樣，例如邊界層湍流與尾跡湍流，所以工程上很難對(duì)湍流進(jìn)行統(tǒng)一的模式處理，但是湍流的一些本質(zhì)特征是普適的，尋找這些普遍規(guī)律正是湍流理論研究的中心任務(wù)；.湍流的主要特征（5）耗散性(Dissipat24

湍流的主要特征（資料）（8）記憶特性（相關(guān)性）。湍流運(yùn)動(dòng)在不同的時(shí)刻或空間不同點(diǎn)上并不是獨(dú)立的，而是有相互關(guān)聯(lián)，但這種關(guān)聯(lián)隨著時(shí)間間隔或空間距離的增大而變小，最后趨近于零；（9）間歇性。內(nèi)間歇：充分發(fā)展的湍流場(chǎng)中某些物理量（特別是高階統(tǒng)計(jì)量）并不是在空間（或時(shí)間）的沒一點(diǎn)上都存在的，即有奇異性。外間歇：指湍流區(qū)與非湍流區(qū)邊界的時(shí)空不確定性，例如積云與藍(lán)天之間的界面。間歇現(xiàn)象是近代湍流研究的重大發(fā)現(xiàn)之一，目前是湍流理論研究的前沿課題;（10）猝發(fā)與擬序結(jié)構(gòu)。這也是近代湍流研究的重大發(fā)現(xiàn)，試驗(yàn)表明，在湍流混合層和剪切湍流邊界層中存在大尺度的相干結(jié)構(gòu)和猝發(fā)現(xiàn)象，說明湍流不是完全無秩序、無內(nèi)部結(jié)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)。這促使人們改變了對(duì)湍流的某些傳統(tǒng)觀念。.湍流的主要特征（資料）（8）記憶特性（相關(guān)性25從層流到湍流（一）從層流到湍流CorssinandKarweit1969.從層流到湍流（一）從層流到湍流CorssinandKa26從層流到湍流Frisch(1995)從層流到湍流（二）.從層流到湍流Frisch(1995)從層流到湍流（二）.27Reynolds數(shù)層流～湍流的判據(jù)U：特征速度L：特