文档介绍：粘性流体:层流和湍流层流:低雷诺数流体质点作有规则的分层运动,如果将流体着色,可以清楚地观察到流线的分布。流体动力学的研究对流体的层流运动已经有了足够的认识湍流:高雷诺数随着雷诺数的增大,会出现流体质点与周围流体混乱掺合的现象,流动的秩序消失,迹线变成极度混乱的无规则脉动。湍流理论又是物理学和流体力学历经百年而未能解决的基本问题之一。湍流的研究具有重要的理论和实际意义。引言湍流是自然界和工程中最常遇到的一种流动现象大气、海洋飞行器、汽车、船舶环境扩散叶轮机械、化学反应湍流是最复杂的一种流动现象时空随机性时空多尺度特征引言湍流研究进展1883年,英国科学家雷诺() 雷诺圆管实验雷诺平均和分解雷诺方程和雷诺应力 ——开辟了湍流统计理论的道路提出了雷诺应力的封闭问题分子运动对湍流脉动的比拟 Boussinesqe湍涡粘度 Prandtl混合长度近代湍流的奠基人周培源中国湍流模式理论OsborneReynolds(1842-1912)(1886-1975)20世纪60年代湍流研究有三个突出进展切变湍流中大尺度拟序结构的发现 Townsend和Corrsin发现切变湍流的间歇现象,推测湍流脉动中存在大尺度结构 Kline在湍流边界层中观察到重复出现的低速条带运动和猝发现象 Brown和Roshko在湍流混合层中也观察到拟序的展向涡结构——拟序结构是湍流产生和维持的关键机制混沌现象 Lorenz奇异吸引子混沌现象的说明有结构的不规则运动可以是确定性非线性微分方程本身的性质——牛顿流体湍流运动是N-S方程在高雷诺数条件下的不规则解湍流的直接数值模拟直接数值求解完整的、三维非定常的N-S方程Orzsag等(1972)年在32x32x32的网格下计算了各向同性湍流Kim,Moin,Moser(1987)槽道湍流Spalart湍流边界层引言湍流研究的内容和手段认识湍流: 利用实验或数值模拟为某些湍流流动提供定性或定量的流动信息模拟预测湍流: 对湍流进行理论或模式研究,建立可行的数学模型来准确预测湍流控制湍流: 利用实验、理论、数值模拟等手段,研究湍流流动的控制方案减小阻力、增强混合、延迟转捩、控制分离引言雷诺圆管流动显示实验雷诺实验层流LaminarFlow湍流TurbulentFlow湍流中的涡结构EddyStructure雷诺实验流体的运动存在两种截然不同的状态:层流状态和湍流状态。在某些条件下,流动可以从层流转变为湍流,从层流向湍流的过渡称为转捩(Transition)。控制流动状态的参数为雷诺数雷诺数存在上下两个临界值下临界雷诺数:层流上临界雷诺数:湍流雷诺测得: 近代实验:雷诺实验层流在变成充分发展了的湍流之前,存在一个过渡区,其间层流和湍流间歇出现,称为为间歇区。我们把确定位置上呈现湍流的时间与总时间的比值称为间歇因子,γ=0为层流,γ=1为充分发展了的湍流,0<γ<1为过渡状态。目前还没有建立起一种理论可对转捩作出令人满意的分析和阐述。湍流的转捩和形成机理的研究是目前湍流研究的基本问题之一。转捩观察表明,在平板前端边界层保持稳定的层流状态,见图中的区域(1)失稳后的边界层中首先出现一定频率和波长的二维行波,称为Tollmien-Schlichting波,其波长约为边界层位移厚度的10-20倍,相速度约为均匀来流速度的三分之一。在向下游传播的过程中,振幅不断增大,见图中区域(2)。波产生的原因是边界层作为剪切层,其中的涡量总是具有形成一定尺度旋涡结构的倾向,在上游这种倾向为涡量的扩散效应所抑制;随着下游边界层变厚,涡量梯度变小,扩散效应减弱,形成了这种较弱的有组织的涡结构(波),因此波也被称为涡量波。随着下游雷诺数的进一步增大,波会出现展向的涡量变化,进而发展成周期性的三维不稳定波和发卡涡(马蹄涡),见图中区域(3)。平板边界层的转捩(1)(2)(3)(4)(5)(6)