湍流現象

三維非穩態、帶旋轉的不規則流動

湍流是一種高度複雜的三維非穩態、帶旋轉的不規則流動。在湍流中的流體的各種物理參數,如速度、壓力、溫度等都隨時間與空間發生隨機的變化。

名詞解釋


從物理結構上說,可以把湍流看成是由各種不同尺度的渦旋疊合而成的流動,這些漩渦的大小及旋轉軸的方向分佈是隨機的。大尺度的渦旋主要是有流動的邊界條件所決定,其尺寸可以與流場的大小相比擬,是引起低頻脈動的原因;小尺度的渦旋主要是有粘性力所決定,其尺寸可能只有流場尺度的千分之一量級,是引起高頻脈動的原因。大尺度的渦旋破裂后形成小尺度渦旋。較小尺度的渦旋破裂后形成更小尺度的渦旋。因而在充分發展的湍流區域內,流涕渦旋的尺度可在相當寬的範圍內連續地變化。大尺度的渦旋不斷地從主流獲得能量,通過渦旋間的相互作用,能量逐漸向小的渦旋傳遞。最後由於流體粘性的作用,小尺度的渦旋不斷消失,機械能就轉化(或稱為耗散)為流體的熱能。同時,由於邊界作用、擾動及速度梯度的作用,新的渦旋又不斷產生,這就構成了湍流運動。
湍流現象
湍流現象
流體內部多尺度渦旋的隨機運動構成了湍流的一個重要特點:物理量的脈動。
要注意的是,湍流運動儘管是流體微團的運動,但遠未達到分子水平。無論湍流運動多麼複雜,非穩態的N—S方程對於湍流的瞬時運動仍然是適用的。

湍流的定義


Van.Kavman和I.GTaylor對湍流的定義為:
湍流是流體和氣體中出現的一種無規則流動現象,當流體流過固體邊界或相固流體相互流過時會產生湍流。
Hinze對湍流的定義為:
湍流是時間和空間上的一種不規則的隨機變化,可利用不同的統計平均值來統計。
Bradshan對湍流的定義為:
湍流是寬範圍尺度的渦旋組成的。
用一句話總結湍流:
在一定雷諾數下,流體表現在時間和空間上的隨機脈動運動,流體中含有大量不同尺度的渦旋(eddy)。