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粘性流体力学 电话：电话：010010（O O）手机手机:E-mailE-mail：办公室：新主楼办公室：新主楼C1114C1114湍流基础知识湍流基础知识湍流基本特征湍流基本特征湍流控制方程湍流控制方程湍流湍流平板边界层的能量平衡平板边界层的能量平衡湍流湍流平板边界层厚度和阻力平板边界层厚度和阻力 粗糙平板紊流边界层粗糙平板紊流边界层湍流具有非定常的、三维的、周期性的漩涡运动湍流具有非定常的、三维的、周期性的漩涡运动特征，即脉动特征，能够增强动量掺混、热量传特征，即脉动特征，能够增强动量掺混、热量传递和剪切应力。递和剪切应力。湍流脉动在空间上和时间上都是随机的，但是湍湍流脉动在空间上和时间上都是随机的，但是湍流脉动量的统计平均却能展示其主要输运机理。流脉动量的统计平均却能展示其主要输运机理。所有的湍流中均包含尺度范围很广的漩涡，从小所有的湍流中均包含尺度范围很广的漩涡，从小尺度漩涡到大尺度漩涡。尺度漩涡到大尺度漩涡。湍流对于初始条件非常敏感，即湍流行为很大程湍流对于初始条件非常敏感，即湍流行为很大程度上取决于初始条件。度上取决于初始条件。湍流基本特征湍流基本特征小尺度涡结构大尺度涡结构能量串级(after Richardson,1922)能量注入耗散能量耗散涡大尺度涡能量流动方向湍流基本特征湍流基本特征湍流结构湍流结构什么是湍流什么是湍流?外流内流沿着壁面的流动绕物体的流动其他一些因素也可能引发流动在低雷诺数下发生转捩，例如自由来流湍流度、物面条件、吹气、吸气、以及其他扰动。湍流基本特征湍流基本特征雷诺数的影响雷诺数的影响Re 3.51063105 Re 3.510640 Re 150150 Re 31055-15 Re 40 Re 5 湍流涡街，但是分离湍流涡街，但是分离比层流窄比层流窄边界层转捩后流动分边界层转捩后流动分离离层流分离，湍流尾迹层流分离，湍流尾迹层流涡街层流涡街层流尾迹中具有一对层流尾迹中具有一对稳定的涡稳定的涡蠕动层流蠕动层流湍流基本特征湍流基本特征雷诺平均雷诺平均 考考虑虑到到湍湍流流的的随随机机性性，18951895年年ReynoldsReynolds首首次次将将瞬瞬时时湍湍流流看看作作为为时时均均运运动动（描描述述流流动动的的平平均均趋趋势势）+脉脉动动运运动动（偏偏离离时时均均运运动动的的程程度度）。以以后逐渐提出空间分解和统计分解等方法。后逐渐提出空间分解和统计分解等方法。（1 1）时间分解法（）时间分解法（ReynoldsReynolds的时均值概念的时均值概念)如如果果湍湍流流运运动动是是一一个个平平稳稳的的随随机机过过程程，则则在在湍湍流流场场中中任任一一点点的的瞬瞬时时速速度度u可可分分解解为为时时均均速速度脉动速度。度脉动速度。雷诺平均方程雷诺平均方程式中，时均速度定义为式中，时均速度定义为 这里取时均值的时间这里取时均值的时间T T要求远远大于脉动要求远远大于脉动运动的积分时间尺度。运动的积分时间尺度。对于非平稳的随机过程，严格而言不能用对于非平稳的随机过程，严格而言不能用时均分解法，但如果时均运动的特征时间远大时均分解法，但如果时均运动的特征时间远大于脉动运动的特征时间，且当取均值时间于脉动运动的特征时间，且当取均值时间T T远远小于时均运动的特征时间而又远大于脉动运动小于时均运动的特征时间而又远大于脉动运动的特征时间时，时均值分解仍近似成立。的特征时间时，时均值分解仍近似成立。雷诺平均方程雷诺平均方程非平稳随机过程非平稳随机过程平稳随机过程平稳随机过程雷诺平均方程雷诺平均方程（2 2）空间分解法（空间平均法）空间分解法（空间平均法）如如果果湍湍流流场场是是具具有有空空间间均均匀匀性性的的随随机机场场，则则可可采采用用空空间间平平均均法法对对湍湍流流的的瞬瞬时时量量进进行行空空间间分解。即分解。即（3 3）系综平均法（概率意义上的分解）系综平均法（概率意义上的分解）如如果果湍湍流流运运动动既既不不是是时时间间平平稳稳的的、也也不不是是空空间间均均匀匀的的，那那么么我我们们可可在在概概率率意意义义上上对对湍湍流流的瞬时运动进行分解。即的瞬时运动进行分解。即雷诺平均方程雷诺平均方程N-SN-S方程：方程：物理量的瞬态值定义为系综平均值与脉动值之和物理量的瞬态值定义为系综平均值与脉动值之和对对N-SN-S方程进行系综平均，可以得到方程进行系综平均，可以得到 ERANS ERANS 方程。方程。RANS RANS 方程和封闭问题方程和封闭问题雷诺应力雷诺应力,Rij雷诺平均方程雷诺平均方程湍流湍流平板边界层平板边界层 平板边界层流动中，势流流速和压强在整个平板边界层流动中，势流流速和压强在整个流场中均为常数。当边界层雷诺数流场中均为常数。当边界层雷诺数 达到临界值后，达到临界值后，边界层流动将可能由层流转变为湍流。湍流边界边界层流动将可能由层流转变为湍流。湍流边界层中的流速分布、阻力规律、边界层厚度的沿程层中的流速分布、阻力规律、边界层厚度的沿程发展等均与层流边界层不同。而且在湍流边界层发展等均与层流边界层不同。而且在湍流边界层流动中又因固体壁面的光滑或粗糙而使得流动情流动中又因固体壁面的光滑或粗糙而使得流动情况发生变化。况发生变化。湍流平板边界层流动是一种基本的流动现象，湍流平板边界层流动是一种基本的流动现象，对于航空、造船、化工、水力机械和水工建筑物对于航空、造船、化工、水力机械和水工建筑物的设计都有重要的意义。的设计都有重要的意义。湍流湍流平板边界层平板边界层 像圆管湍流一样，湍流平板边界层流动也像圆管湍流一样，湍流平板边界层流动也是壁面湍流的一种，只不过固体边界的特征不是壁面湍流的一种，只不过固体边界的特征不同。圆管湍流是流动发生在由固体边界所包围同。圆管湍流是流动发生在由固体边界所包围的空间内，因而固体边界限制了湍流的发展。的空间内，因而固体边界限制了湍流的发展。而平板边界层流动则是流动发生在某一固体壁而平板边界层流动则是流动发生在某一固体壁面上，在固体壁面上的湍流边界层可以沿程发面上，在固体壁面上的湍流边界层可以沿程发展而其上边界不受固体边界的限制。但是湍流展而其上边界不受固体边界的限制。但是湍流边界层与圆管湍流在流动特点方面也有很多共边界层与圆管湍流在流动特点方面也有很多共同之处。同之处。此课件下载可自行编辑修改，供参考！感谢您的支持，我们努力做得更好！