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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)計理論和半經(jīng)驗理論發(fā)展，湍流的模式理論，湍流的高級數(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&technologyAbstractThisarticlefocusesontheturbulenceofresearchprocessaselabora
2、ted.Fromcoherentstructureofturbulence,characterizationanddevelopmentofturbulencetoReynoldsequationaboutresearchprocessofturbulenceontheendofthecentury,thedevelopmentofsemi-empiricaltheoryandstatisticaltheoryofturbulenceofthiscentury,modetheoryofturbulence,advancednumericalsimulation
3、ofturbulence.Finally,briefdescriptionofturbulenceindustrialapplicationsissuggested.KeywordsTurbulence,Theoreticalresearchofturbulence,Engineeringapplications湍流是自然界和工程中最常出現(xiàn)的流動形態(tài)，湍流的出現(xiàn)將使動量、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，污染物加快擴散等嚴(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)展和突破將會在國防和經(jīng)濟方面起到
4、重要的作用。湍流主要研究兩個方面的內(nèi)容，一是揭示湍流產(chǎn)生的原因，二是研究已經(jīng)形成的湍流運動的規(guī)律，以便解決工程實際問題。但自英國物理學(xué)家雷諾提出湍流這一基本流動形態(tài)以來，已有一百多年的歷史，因其運動的復(fù)雜性，其基本機理和規(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)展對于進(jìn)一步揭示這一十分復(fù)雜的流動現(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)量在時間和空間中發(fā)生不規(guī)則脈動的流體流動。其基本特征是不規(guī)則性或隨機性，不可預(yù)測，用隨機方法；擴散性，有比分子運動強的多的擴散能力；大雷諾數(shù)；渦旋，以高頻擾動渦為特征的有旋的三維運動；耗散
5、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。。流體做湍流流動時，由于質(zhì)點的運動是隨機的，在流體內(nèi)部將產(chǎn)生各種尺度的旋渦（或稱微團(tuán)）。這些旋渦在各個方向上做高頻脈動。因此，流體由層流轉(zhuǎn)變?yōu)橥牧?，需具備兩個條件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)生剪切力。其二是流層的波動，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，
6、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它進(jìn)入相鄰的流層，這時流動的內(nèi)部結(jié)構(gòu)就會完全改觀，根據(jù)流體流動的連續(xù)性，各流層之間必然會產(chǎn)生旋渦的交換，這種旋渦的不斷交換，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運動可分解為時均和脈動兩部分，即其中是相應(yīng)力學(xué)量的時間平均量，是脈動值。㈡湍流強度是湍流強度漲落標(biāo)準(zhǔn)差和平均速度的比值，是衡量湍流強度的相對指標(biāo)。大氣和水體中污染物
7、湍流的擴散參數(shù)和湍流強度呈一定的正比例關(guān)系。也是描述風(fēng)速隨時間和空間變化的程度，反映脈動風(fēng)速的相對強度，是描述大氣湍流運動特征的最重要的特征量。㈢湍動標(biāo)度。2雷諾運動方程雷諾曾以時均量和脈動量之和來代替不可壓縮流體的連續(xù)性方程和Navier-Stokes方程中的瞬時量，然后對各方程取時間平均，最終導(dǎo)出可應(yīng)用于不可壓縮流體湍流運動的特定方程組。但是方程組并不封閉，多出六個未知的湍應(yīng)力分量。為使方程組封閉，必須在湍應(yīng)力和平均流動元素之間建立補充關(guān)系式。半個多世紀(jì)以來，人們從統(tǒng)計理論和各種半經(jīng)驗理論出發(fā)作了很多嘗試。3湍流統(tǒng)計理論和半經(jīng)驗理論30-40年代是湍流統(tǒng)計
8、理論發(fā)展的時期，建立了均勻各項同性湍流
