湍流研究的現(xiàn)狀和進展

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1、湍流研究的現(xiàn)狀和進展張兆順忻鼎定〔清華大學北京航空學院張,兆順清華大學工程力學系教授年生于上海市年畢業(yè)于上海交通大學造船系年畢業(yè)于中國科學院和清華大學聯(lián)合主辦的工程力學研究班,,工程畢業(yè)后在清華大學工程數(shù)學力學系力學系任教年至,年在英國南安普敦大學應用科學院航空及航天工程系進修年月被授于南安普敦大學應用科學院博士,刀曾從事超聲速面積律流體,,湍流機械等研究近年來從事壁湍流的擬序結構及其模式風生浪及海浪預報的研究。,、提要本文對一百多年來湍流研究的進展作了簡要回顧并著重評述了湍流模式理論切變湍流的相,干結構和湍流數(shù)值模擬的最新成就對湍流研究的發(fā)展提出了一些建議和設想,,擬序結,關鍵

2、詞湍流湍流模式構剪切湍流一、簡要的歷史回顧,人類觀察到湍流現(xiàn)象可溯源很久但對它系統(tǒng)地進行研究則始于上世紀末一百多年來圍繞““”,著什么是湍流的本質’怎樣準確預測湍流運動人們的認識日益深化預測方法不斷改進回顧一下湍流研究取得進展的歷程對于進一步揭示這一十分復雜流動現(xiàn)象是有益的,‘,,首先提出渦團粘度概念他認為湍流是一群雜亂〔刀無章的渦團現(xiàn)代湍流理論的創(chuàng)始人認為湍流是由層流不穩(wěn)定性發(fā)展起,,來的并提出湍流運動可以分解為時均和脈動兩部分他導出了含有時均脈動動量輸運即“,應力一砂的湍流時均方程這兩位湍流研究的先驅者對湍流的認識有所不同“”,“”認為湍流現(xiàn)象是湍流體即渦團的運動他希望得到湍

3、流體的流變模型,一則主張湍流是一種運動狀態(tài)它仍由一般的流體動力學方程即方程控制值得,,指出的是這兩種觀念始終存在于湍流研究的進程中而且各自都得到發(fā)展有時相互補充不過,,現(xiàn)代湍流研究者的主流贊同的觀念并在他的理論基礎上發(fā)展但在有些應用中還襲用渦團粘度概念,本世紀二十年代開始的空氣動力學發(fā)展的全盛時期湍流研究也取得了很大進展第一臺有電〔,子管補償線路的熱線風速計由和研制成功這一技術革新,因為湍流實驗研究提供了有效的手段我們特別強調這一杰出貢獻為對于像湍流這樣復雜的流,,動現(xiàn)象沒有有效的觀測手段就不可能對它有深人的認識而每一次對復雜流動現(xiàn)象的實驗觀測,‘們,上的重大發(fā)明對湍流研究的突破

4、都有重大的貢獻這一時期幼〔,,‘,、和先后提出了湍流的混合長理論相似假定和渦輸運,并由理論此導出了二維應力的封閉式這三位流體力學大師在湍流理論方面的共同,貢獻是他們指出了封閉方程或應力的封閉表達式應從脈動場的性質中去尋找他們的思想和方法為近代湍流模式理論提供了雛形湍流統(tǒng)計理論也在這一時期發(fā)展起,,〔,,,來吸引了一些著名的物理學家和數(shù)學家如〔幻〔,,等應當指出我國周培源教授建立的湍流相關動力學方程及其近似解法是這,一時期湍流統(tǒng)計理論中的杰出貢獻雖然由于計算工具的限制這一理論在當時只能用于解簡單,,湍流問題而未能得到廣泛的應用和發(fā)展然而二十年后人們發(fā)現(xiàn)周氏方程是建立湍流模式的奠基石

5、從四十年代到六十年代末湍流研究在理論和實驗兩方面都沒有很大的突破但是應用熱線,風速計測量各種湍流特性的資料大大充實了湍流的數(shù)據(jù)庫例如壁湍流的對數(shù)律得到公認,,‘,尾跡律和直槽道中湍流統(tǒng)計特性等等為惴流理論和應用提供了很好的實驗數(shù)據(jù)如卡門常數(shù)及關系式在實驗中已開始發(fā)現(xiàn)切變湍流中的間歇性·,‘,,,,〔‘,,等這一發(fā)現(xiàn)導致以后大尺度結構的深人研究,,六十年代末以后湍流研究又出現(xiàn)了一個新高潮切變湍流中擬序結構的發(fā)現(xiàn)復雜的湍流模、一式的建立和發(fā)展湍流的直接數(shù)值模擬的嘗試以及在方程中發(fā)現(xiàn)奇異吸引子,或其它混沌現(xiàn)象的探索是近二十多年來湍流研究中的重大突破科技界期待,著流體力學工作者能夠盡早解

6、決湍流的準確預測間題我們將在后文較詳細地評述湍流的近代發(fā)展。二、湍流模式理論湍流模式理論的目標是準確預測實際湍流的平均運動采用分解式,磯認階尸一可導出平均運動的方程或平均方程,,,,,,,百,虧,,一一戶,。,百,,,一仄,萬不,一以及脈動速度和脈動壓力方程,,,,,。,,,、,,,,,,一一,。“,,,“,。,百廳戶一石,,,,,,一,,。一。,二,一、,。,,應用方程解脈動壓力可表示成積分式,,,,·,之友·,〔,虧一,‘“卜眾一麗十工一‘汀,‘”此處丫一川上標號表示取’處值方程組一中都含有湍流脈動動量的平均輸,,、運項即應力項一而它是方程中的不封閉項準確合理地給出封閉式是模

7、式理論的任務,,,近代模式理論是建立在統(tǒng)計流體力學基礎上是一點的二階速度關聯(lián)由不難導麗’、出它的動力學方程如下,,,,,了。十麗云瓜瓦一卜毒不一約司冠、,,一無,,,,,一舀妥玉,,一云,,承力刃汀蕎舀百,箭,、,十,腳,十一萬丁不不必,、,,,的式左端是沿平均軌跡的變化率其中是飛舀妥在平均流場中的輸運右端各項為石,,,,,湍流擴散分子擴散生成率壓力變形率相關它導致應力張量,、、,之間的重新分配耗散性項其中三項是新的待封閉項仔細分析這些,,,項我們可以發(fā)現(xiàn)它們都是空間多點速度關聯(lián)