湍流、氣旋、和漩渦

1、湍流是一種高度復(fù)雜的三維非穩(wěn)態(tài)、帶旋轉(zhuǎn)的不規(guī)則流動(dòng)。在湍流中的流體的各種物理參數(shù)，如速度、壓力、溫度等都隨時(shí)間與空間發(fā)生隨機(jī)的變化。從物理結(jié)構(gòu)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(dòng)，這些漩渦的大小及旋轉(zhuǎn)軸的方向分布是隨機(jī)的。大尺度的渦旋主要是有流動(dòng)的邊界條件所決定，其尺寸可以與流場(chǎng)的大小相比擬，是引起低頻脈動(dòng)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(chǎng)尺度的千分之一量級(jí)，是引起高頻脈動(dòng)的原因。大尺度的渦

2、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(fā)展的湍流區(qū)域內(nèi)，流涕渦旋的尺度可在相當(dāng)寬的范圍內(nèi)連續(xù)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，能量組建向小的渦旋傳遞。最后由于流體粘性的作用，小尺度的渦旋不斷消失，機(jī)械能就轉(zhuǎn)化（或稱為耗散）為流體的熱能。同時(shí)，由于邊界作用、擾動(dòng)及速度梯度的作用，新的渦旋又不斷產(chǎn)生，這就構(gòu)成了湍流運(yùn)動(dòng)。流體內(nèi)部多尺度渦旋的隨機(jī)運(yùn)動(dòng)構(gòu)成了湍流的一個(gè)重要特點(diǎn)：物

3、理量的脈動(dòng)。要注意的是，湍流運(yùn)動(dòng)盡管是流體微團(tuán)的運(yùn)動(dòng)，但遠(yuǎn)未達(dá)到分子水平。無論湍流運(yùn)動(dòng)多么復(fù)雜，非穩(wěn)態(tài)的N—S方程對(duì)于湍流的瞬時(shí)運(yùn)動(dòng)仍然是適用的。Van.Kavman和I.GTayl對(duì)湍流的定義為：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：湍流是時(shí)間和空間上的一種不規(guī)則的隨機(jī)變化，可利用不同的統(tǒng)計(jì)平均值來統(tǒng)計(jì)。Bradshan對(duì)湍流的定義為：湍流是寬范圍尺度的

4、渦旋組成的。用一句話總結(jié)湍流：在一定雷諾數(shù)下，流體表現(xiàn)在時(shí)間和空間上的隨機(jī)脈動(dòng)運(yùn)動(dòng)，流體中含有大量不同尺度的渦旋(eddy)。湍流是流體的一種流動(dòng)狀態(tài)。當(dāng)流速很小時(shí)，流體分層流動(dòng)，互不混合，稱為層流，也稱為穩(wěn)流或片流；逐漸增加流速，流體的流線開始出現(xiàn)波浪狀的擺動(dòng)，擺動(dòng)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(dāng)流速增加到很大時(shí)，流線不再清楚可辨，流場(chǎng)中有許多小漩渦，層流被破壞，相鄰流層間不但有滑動(dòng)，還有混合。這時(shí)的流體作不規(guī)則

5、運(yùn)動(dòng)，有垂直于流管軸線方向的分速度產(chǎn)生，這種運(yùn)動(dòng)稱為湍流，又稱為亂流、擾流或紊流。流體作湍流時(shí)，阻力大流量小，能量耗損增加。實(shí)驗(yàn)證明，能量耗損E與速度的關(guān)系為流給出確切的定義。1959年J.O.Hinze曾對(duì)湍流做過這樣的定義：湍流是流體的不規(guī)則運(yùn)動(dòng)，流場(chǎng)中各種量隨時(shí)間和空間坐標(biāo)發(fā)生紊亂的變化，然而從統(tǒng)計(jì)意義上說，可以得到它們的準(zhǔn)確的平均值。從物理結(jié)構(gòu)上，P.Bradshan把湍流定義為：湍流是由寬尺度范圍的旋渦組成的。總而言之，在流體

6、力學(xué)中，湍流是指具有混亂、隨機(jī)特性的一團(tuán)流體區(qū)域，流體的壓力和速度脈動(dòng)隨時(shí)空劇烈變化，在這個(gè)區(qū)域中動(dòng)量的對(duì)流效果要遠(yuǎn)大于擴(kuò)散效果。與湍流相對(duì)應(yīng)的是層流，如果流體質(zhì)點(diǎn)的軌跡是有規(guī)則的光滑曲線，這種流動(dòng)叫層流。區(qū)分層流與湍流的一個(gè)重要無量綱特征參數(shù)是Re，表征慣性力與粘性力的相對(duì)重要性。對(duì)于圓管流動(dòng)來說，當(dāng)雷諾數(shù)大于4000的時(shí)候一般認(rèn)為已經(jīng)是湍流，當(dāng)雷諾數(shù)小于2100的時(shí)候一般認(rèn)為是層流，在雷諾數(shù)大于2100小于4000的區(qū)域被稱作是過渡

7、區(qū)域。當(dāng)流體處于湍流狀態(tài)的時(shí)候，許多不同尺度的非定常渦之間相互作用。邊界層內(nèi)的摩擦阻力增加，邊界層分離的結(jié)構(gòu)和位置變得不確定，有時(shí)候反而會(huì)導(dǎo)致整體阻力的減小。雖然層流向湍流的轉(zhuǎn)捩由雷諾數(shù)來控制，但是，當(dāng)物體的尺寸逐漸變大，或者流體的粘性逐漸減小或者流體的密度增加的時(shí)候轉(zhuǎn)捩也會(huì)同樣發(fā)生。湍流會(huì)產(chǎn)生許多不同長(zhǎng)度尺度的渦，但是湍流中的大部分動(dòng)能包含在大尺度的結(jié)構(gòu)中，能量的級(jí)串通過慣性力從大尺度結(jié)構(gòu)向小尺度結(jié)構(gòu)傳遞，這個(gè)過程實(shí)質(zhì)上跟粘性無關(guān)。這

8、個(gè)過程繼續(xù)進(jìn)行會(huì)產(chǎn)生越來越小的結(jié)構(gòu)組成旋渦的層次結(jié)構(gòu)。最后，這個(gè)過程會(huì)產(chǎn)生足夠小的旋渦，在這個(gè)尺度上分子擴(kuò)散變得很重要，能量的粘性耗散開始發(fā)生，這個(gè)尺度通常被稱作是Kolmogov尺度。湍流的擴(kuò)散通常用湍流的擴(kuò)散系數(shù)來表示，湍流擴(kuò)散系數(shù)的定義類比于分子擴(kuò)散（Fickslaw），這只是唯象意義上的描述，事實(shí)上并不包含真實(shí)的物理含義。因?yàn)橥牧鲾U(kuò)散系數(shù)取決于流動(dòng)狀態(tài)，而不是流體本身的物性。湍流粘性系數(shù)的定義是從定量上刻畫湍流流場(chǎng)的最簡(jiǎn)單近似，

9、在此基礎(chǔ)上提出了許多湍流模型來模擬湍流場(chǎng)。湍流是一種高度復(fù)雜的三維非穩(wěn)態(tài)、帶旋轉(zhuǎn)的不規(guī)則流動(dòng)。在湍流中的流體的各種物理參數(shù)，如速度、壓力、溫度等都隨時(shí)間與空間發(fā)生隨機(jī)的變化。從物理結(jié)構(gòu)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(dòng)，這些漩渦的大小及旋轉(zhuǎn)軸的方向分布是隨機(jī)的。大尺度的旋渦主要是由流動(dòng)的邊界條件所決定，其尺寸可以與流場(chǎng)的大小相比擬，是引起低頻脈動(dòng)的原因；小尺度的旋渦主要是有粘性力所決定，其尺寸可能只有流場(chǎng)尺度的千分

10、之一量級(jí)，是引起高頻脈動(dòng)的原因。大尺度的旋渦破裂后形成小尺度旋渦。較小尺度的旋渦破裂后形成更小尺度的。因而在充分發(fā)展的湍流區(qū)域內(nèi)，流體旋渦的尺度可在相當(dāng)寬的范圍內(nèi)連續(xù)地變化。大尺度的旋渦不斷地從主流獲得能量，通過旋渦間的相互作用，能量逐漸向小的旋渦傳遞。最后由于流體粘性的作用，小尺度的旋渦不斷消失，機(jī)械能就轉(zhuǎn)化（或稱為耗散）為流體的熱能。同時(shí)，由于邊界作用、擾動(dòng)及速度梯度的作用，新的旋渦又不斷產(chǎn)生，這就構(gòu)成了湍流運(yùn)動(dòng)。當(dāng)設(shè)計(jì)一個(gè)管道系統(tǒng)