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1、湍流的研究進(jìn)展丁立新（青島科技大學(xué)）摘要本文重點(diǎn)就湍流的理論研究進(jìn)展作一闡述，從湍流的相干結(jié)構(gòu)、表征及發(fā)展由來，到上世紀(jì)末湍流研究進(jìn)展的雷諾方程，本世紀(jì)湍流的統(tǒng)計(jì)理論和半經(jīng)驗(yàn)理論發(fā)展，湍流的模式理論，湍流的高級(jí)數(shù)值模擬分別論述，并為主要的工程應(yīng)用做簡要的介紹。關(guān)鍵詞湍流理論研究工程應(yīng)用ResearchprocessofturbulenceDinglixinQingdaoUniversityofScience&technologyAbstractThisarticlefocusesontheturbulenceofrese
2、archprocessaselaborated.Fromcoherentstructureofturbulence,characterizationanddevelopmentofturbulencetoReynoldsequationaboutresearchprocessofturbulenceontheendofthecentury,thedevelopmentofsemi-empiricaltheoryandstatisticaltheoryofturbulenceofthiscentury,modetheory
3、ofturbulence,advancednumericalsimulationofturbulence.Finally,briefdescriptionofturbulenceindustrialapplicationsissuggested.KeywordsTurbulence,Theoreticalresearchofturbulence,Engineeringapplications湍流是自然界和工程中最常出現(xiàn)的流動(dòng)形態(tài)，湍流的出現(xiàn)將使動(dòng)量、質(zhì)量、能量的輸送速率極大地加快，一方面造成能量消耗加快，污染物加快擴(kuò)散等
4、嚴(yán)重消極后果，另一方面也起到加快化學(xué)反應(yīng)速度，提高熱交換速率等積極作用，因此湍流的研究發(fā)展和突破將會(huì)在國防和經(jīng)濟(jì)方面起到重要的作用。湍流主要研究兩個(gè)方面的內(nèi)容，一是揭示湍流產(chǎn)生的原因，二是研究已經(jīng)形成的湍流運(yùn)動(dòng)的規(guī)律，以便解決工程實(shí)際問題。但自英國物理學(xué)家雷諾提出湍流這一基本流動(dòng)形態(tài)以來，已有一百多年的歷史，因其運(yùn)動(dòng)的復(fù)雜性，其基本機(jī)理和規(guī)律至今還沒有完全弄清楚。因此回顧一下湍流研究取得的進(jìn)展對(duì)于進(jìn)一步揭示這一十分復(fù)雜的流動(dòng)現(xiàn)象是有益的。1湍流的相干結(jié)構(gòu)、原因及表征⑴湍流是局部速度、壓力等力學(xué)量在時(shí)間和空間中發(fā)生不規(guī)則脈
5、動(dòng)的流體流動(dòng)。其基本特征是不規(guī)則性或隨機(jī)性，不可預(yù)測(cè)，用隨機(jī)方法；擴(kuò)散性，有比分子運(yùn)動(dòng)強(qiáng)的多的擴(kuò)散能力；大雷諾數(shù)；渦旋，以高頻擾動(dòng)渦為特征的有旋的三維運(yùn)動(dòng)；耗散性，因分子的黏性作用而耗散能量，需外部提供能量維持湍流。。流體做湍流流動(dòng)時(shí)，由于質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)是隨機(jī)的，在流體內(nèi)部將產(chǎn)生各種尺度的旋渦（或稱微團(tuán)）。這些旋渦在各個(gè)方向上做高頻脈動(dòng)。因此，流體由層流轉(zhuǎn)變?yōu)橥牧?，需具備兩個(gè)條件①旋渦的形成；②旋渦形成后脫離原來的流層或流速。旋渦的形成主要取決于兩點(diǎn)因素，其一是流體的黏性，由于黏性的作用具有不同流速的相鄰流體層之間將產(chǎn)生剪切
6、力。其二是流層的波動(dòng)，流層凸起的地方將因微小流速截面的減小而使流速增大；反之，在凹入的地方，將因微小流速截面的增大而使流速減小。依伯努利方程，流速的增大將引起壓力的減小，而流速的減小將引起壓力的增大，最終在橫向壓力和剪應(yīng)力的綜合作用下，促成旋渦的形成。進(jìn)一步分析旋渦形成以后脫離原流層的問題，由于旋渦的存在，旋渦附近各流層的速度分布將有所改變。若將旋渦類似于旋轉(zhuǎn)柱體，則必有Zhoukowski升力施加于旋渦推動(dòng)它進(jìn)入相鄰的流層，這時(shí)流動(dòng)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)就會(huì)完全改觀，根據(jù)流體流動(dòng)的連續(xù)性，各流層之間必然會(huì)產(chǎn)生旋渦的交換，這種旋渦的
7、不斷交換，就行成了通常所說的湍流。需⑵表征㈠雷諾自1895年首先提出湍流瞬時(shí)運(yùn)動(dòng)可分解為時(shí)均和脈動(dòng)兩部分，即其中是相應(yīng)力學(xué)量的時(shí)間平均量，是脈動(dòng)值。㈡湍流強(qiáng)度是湍流強(qiáng)度漲落標(biāo)準(zhǔn)差和平均速度的比值，是衡量湍流強(qiáng)度的相對(duì)指標(biāo)。大氣和水體中污染物湍流的擴(kuò)散參數(shù)和湍流強(qiáng)度呈一定的正比例關(guān)系。也是描述風(fēng)速隨時(shí)間和空間變化的程度，反映脈動(dòng)風(fēng)速的相對(duì)強(qiáng)度，是描述大氣湍流運(yùn)動(dòng)特征的最重要的特征量。㈢湍動(dòng)標(biāo)度。2雷諾運(yùn)動(dòng)方程雷諾曾以時(shí)均量和脈動(dòng)量之和來代替不可壓縮流體的連續(xù)性方程和Navier-Stokes方程中的瞬時(shí)量，然后對(duì)各方程取時(shí)
8、間平均，最終導(dǎo)出可應(yīng)用于不可壓縮流體湍流運(yùn)動(dòng)的特定方程組。但是方程組并不封閉，多出六個(gè)未知的湍應(yīng)力分量。為使方程組封閉，必須在湍應(yīng)力和平均流動(dòng)元素之間建立補(bǔ)充關(guān)系式。半個(gè)多世紀(jì)以來，人們從統(tǒng)計(jì)理論和各種半經(jīng)驗(yàn)理論出發(fā)作了很多嘗試。3湍流統(tǒng)計(jì)理論和半經(jīng)驗(yàn)理論30-40年代是湍流統(tǒng)計(jì)理論發(fā)展的時(shí)期，建立了均勻各項(xiàng)同性湍流
