8第八章湍流简介.ppt

**第八章湍流简介在上一章开始的时候，我们对湍流的现象进行了介绍，知道湍流是一种这样的流动现象：即流场中各点的速度大小和方向是随机变化的。流场是不稳定的（与非定常的概念的区别），流动过程是紊乱的，速度分布是无规律的。因此这是一种复杂的流动现象，比我们想象的复杂还要复杂。以至于到现在，对湍流的认识及理论描述仍未最终解决，物理本质不清楚，数学描述方法不完备，甚至确切的定义都很难给出。自从1883年雷诺以后，百余年来湍流研究消耗了人类最精华的智慧。如果湍流离我们，离人类的生产与生活很遥远，我们对它缺乏了解只不过是理论上的遗憾。然而实际上，不论是在自然界，还是在工程设备与应用中，湍流却是一种最为常见的流动状态，它与我们的生产与生活息息相关。而如果我们能掌握湍流流动的本质，正确预测湍流，则将能极大的提高我们的生产生活效率。所以，直至今天，湍流研究还在继续消耗着人类最精华的智慧。解决湍流的问题的思路，百余年来人们的历程：湍流基于对N-S方程的分析直接数值模拟DNS大涡模拟LES湍流的统计分析N-S方程的统计平均，雷诺方程对雷诺应力的直接分析，雷诺应力模型包辛涅斯克假设，湍流粘性模型封闭模型新的物理模型及数学方法探讨非线性浑沌非线性研究发展及混沌一、蝴蝶效应、Lorenz方程与奇怪吸引子二、虫口问题、分岔与混沌三、倒摆模型、双稳态与初值敏感性四、海岸线、自相似与分形美丽的分形第一节湍流的发生过程及结构一、湍流的定义及特征湍流不同于层流是因为它具有一种特殊的性质，在现象上我们称之为紊乱的流动，或叫湍动。要给湍流下一个严格的定义是困难的，这是由于它的复杂性，由于其内部机理至今未被人类所掌握。雷诺：湍流是一种蜿蜒曲折、起伏不定的流动。泰勒：湍流是在流体流过固体表面或者相同流体的分层流动中出现的一种不规则流动。拽登：湍流是一种不规则的随机流动，随时间作不以为仪器所察觉的振荡，这种振荡可以认为是叠加在一种恒定流动之上，而其时均特性正是需要研究的。欣茨：湍流是流体运动的一种不规则情形，湍流中各种物理量随时间和空间坐标呈现随机的变化，因而具有明确的统计平均值。总而言之，湍流是一种不规则的流动状态，其流动参数随时间和空间作随机的变化，因而是一种三维的非定常流动，而且流动空间分布着大小形状各不相同的漩涡。湍流具有如下的基本特征：1、不规则性（随机性），湍流中流体质点作极不规则的运动，其轨迹是一条蜿蜒曲折的曲线。这种极不规则的随机运动也称之为脉动。2、扩散性，湍流中的质量、动量、能量等特性随着湍流脉动向各方向传递，一般从高值处向低值处扩散。3、连续性，湍流中的质点和漩涡是连续的，符合连续介质的原理。4、耗散性，粘性会不断地把湍流动能转化为热能而散失掉，因此湍流动能的维持需要不断的能量补充。5、三维有涡性，湍流是由漩涡构成的，其涡量也是随机脉动的，因此漩涡也必然具有三维特征。湍流的分类：湍流可以分为各向同性均匀湍流和剪切湍流，剪切湍流又可以分为自由剪切湍流（射流和平面混合层）和壁面剪切湍流。二、湍流的发生过程——猝发湍流猝发过程的发现是由平板附面层流动观察开始的，通过氢气泡流动显示技术，人们发现对于稳定的层流平板附面层，在下游首先观察到由扰动产生的二维托尔明—施里斯廷波（T-S波），在一定的雷诺数范围内这种二维T-S波会被粘性衰减，当雷诺数超过某一阈值以后，二维的T-S波就会变得不稳定，导致近似周期的三维T-S波产生并形成流向涡。他的结构是在边界层底层形成展向排列的、相邻涡之间旋转方向相反的涡系。如下图所示：由于涡的诱导作用，流向涡向下游突出部分被抬起，被抬起部分进入速度较高的区域，使这种扰动进一步被放大，使涡丝出现峰与谷的不同部分。在速度剖面上形成一个拐点，造成剪切层的不稳定。当上抬涡峰被进一步拉伸时，很快会导致层流状态的崩溃。这种崩溃首先是形成“湍斑”，其周围被层流包围，产生后即被携往下游。由于“湍斑”前部以0.9U移动，后部以0.5U移动，致使逐渐发展成剪头状并与原生点成22.5°夹角。随着湍斑区域扩大并互相合并，最终发展成完全湍流状态。这一过程称为猝发。左图为边界层内的流场显示照片，通过氢气泡法显示了附面层内不同高度的流动情况。y+=4.5为层流底层的情况，流向涡引起附面层抬升的过程可以看到。y+=50.7显示在缓冲区里湍流强度的增强。下图为发展成剪头型的“湍流斑”的照片，他将最后充满附面层。第二节湍流的统计平均方法湍流的统计平均方法是自雷诺以后百余年来湍流研究的主流方法，这一方法基于以下这样的基本认识：1、湍流流动过程仍然服从N