基本介紹
- 中文名：湍流
- 外文名：turbulent flow
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基本介紹
湍流是流體的一種流動狀態。當流速很小時，流體分層流動，互不混合，稱為層流，也稱為穩流或片流；逐漸增加流速，流體的流線開始出現波浪狀的擺動，擺動的頻率及振幅隨流速的增加而增加，此種流況稱為過渡流；當流速增加到很大時，流線不再清楚可辨，流場中有許多小漩渦，層流被破壞，相鄰流層間不但有滑動，還有混合,形成湍流，又稱為亂流、擾流或紊流。
湍流
湍流在自然界中，我們常遇到流體作湍流，如江河急流、空氣流動、煙囪排煙等都是湍流。
湍流是在大雷諾數下發生的，雷諾數較小時，黏滯力對流場的影響大於慣性力，流場中流速的擾動會因黏滯力而衰減，流體流動穩定，為層流；反之，若雷諾數較大時，慣性力對流場的影響大於黏滯力，流體流動較不穩定，流速的微小變化容易發展、增強，形成紊亂、不規則的湍流流場。
湍流基本特徵是流體微團運動的隨機性。湍流微團不僅有橫向脈動，而且有相對於流體總運動的反向運動，因而流體微團的軌跡極其紊亂，隨時間變化很快（見圖2）。湍流中最重要的現象是由這種隨機運動引起的動量、熱量和質量的傳遞，其傳遞速率比層流高好幾個數量級。
均勻煙流通過厚的平板後形成湍流
均勻煙流通過厚的平板後形成湍流湍流利弊兼有。一方面它強化傳遞和反應過程；另一方面極大地增加摩擦阻力和能量損耗。鑒於湍流是自然界和各種技術過程中普遍存在的流體運動狀態（例如，風和河中水流，飛行器和船舶表面附近的繞流，流體機械中流體的運動，燃燒室、反應器和換
熱器中工質的運動，污染物在大氣和水體中的擴散等），研究、預測和控制湍流是認識自然現象，發展現代技術的重要課題之一。湍流研究主要有兩類基本問題：闡明湍流是如何發生的；了解湍流特性。由於湍流運動的隨機性，研究湍流必需採用統計力學或統計平均方法。研究湍流的手段有理論分析、數值計算和實驗。後二者具有里要的工程實用意義。
湍流理論
中心問題是求湍流基本方程納維-斯托克斯方程的統計解，由於此方程的非線性和湍流解的不規則性，湍流理論成為流體力學中最困難而又引人入勝的領域。雖然湍流已經研究了一百多年，但是迄今還沒有成熟的精確理論，許多基本技術問題得不到理論解釋。
1895年，O．雪諾首先採用將湍流瞬時速度、瞬時壓力加以平均化的平均方法，從納維-斯托克斯方程導出湍流平均流場的基本方程——雷諾方程，奠定了湍流的理論基礎。以後發展了（以混合長假設為中心的）半經驗理論和各種湍流模式，為解決各種迫切的技術問題提供了一定有效的理論依據。20世紀30年代以來，湍流統計理論，特別是理想的均勻各向同性湍流理論獲得了長足的進步，但是離解決實際問題還很遠。60年代以來套用數學家採用泛函、拓撲和群論等數學工具，分別從統計力學和量子場論等不同角度，探索湍流理論的新途徑。70年代以來，由於湍流相干結構（又稱擬序結構）概念的確立，專家們試圖建立確定性湍流理論。關於湍流是如何由層流演變而來的非線性理論，例如分岔理論，混沌理論和奇怪吸引子等有了重要進展。
湍流數值計算
實質上是求湍流基本方程的數值解。一方面湍流理論困難很大，另一方面湍流問題的可解性隨著計算機性能的提高而增大，因而湍流數值計算的作用越來越重要。以前湍流數值計算主要以半經驗理論為基礎。60年代以前，積分方法和常微分方程方法成為工程技術部門的常規算法。60年代中期以後，由於高速電子計算機的套用，提出了各種複雜的湍流模式和計算方法，偏微分方程方法獲得了迅速發展。特別是，70年代以來，由於第四代巨型高速計算機的使用，湍流數值計算向大規模的數值模擬的更高階段發展。可以預料，隨著計算機的進步，湍流數值計算將有更大的發展。
湍流實驗
在可控的實驗條件下，利用各種測試儀器和數據處理系統，測量湍流的特徵參量或顯示流場。湍流實驗不僅可以直接取得有用的技術數據，而且是認識湍流結構，發展湍流新概念新模式的手段。20世紀30年代熱線風速儀的發明，使人們可以測量湍流的脈動速度，檢驗並發展理論和半經驗理論。50年代隨著電子儀器的完善，實驗側重於研究湍能的譜分布，特別是湍流的精細結構。60年代中期以後，由於改善了流場顯示技術，採用了條件採樣方法，發現不規則的湍流中存在著有一定秩序的大尺度相干結構。從此湍流相干結構成為湍流實驗的新課題。（見湍流理論，湍流數值計算，湍流實驗）
參考文獻
J. 0. Hinze，Turbulence, 2nd ed., McGraw-Hill, New York，1975.
