湍流
风速和风向的变化引发自然现象
湍流也被称为“气流扰动”,由风速和风向的变化引发。
基本介绍
湍流是流体的一种流动状态。当流速很小时,流体分层流动,互不混合,称为层流,也称为稳流或片流;逐渐增加流速,流体的流线开始出现波浪状的摆动,摆动的频率及振幅随流速的增加而增加,此种流况称为过渡流;当流速增加到很大时,流线不再清楚可辨,流场中有许多小漩涡,层流被破坏,相邻流层间不但有滑动,还有混合,形成湍流,又称为乱流、扰流或紊流
在自然界中,我们常遇到流体作湍流,如江河急流、空气流动、烟囱排烟等都是湍流。
湍流是在大雷诺数下发生的,雷诺数较小时,黏滞力对流场的影响大于惯性力,流场中流速的扰动会因黏滞力而衰减,流体流动稳定,为层流;反之,若雷诺数较大时,惯性力对流场的影响大于黏滞力,流体流动较不稳定,流速的微小变化容易发展、增强,形成紊乱、不规则的湍流流场。
流态转变时的雷诺数值称为临界雷诺数。一般管道雷诺数Re=4000为湍流状态,Re=2320~4000为过渡状态。
湍流基本特征是流体微团运动的随机性。湍流微团不仅有横向脉动,而且有相对于流体总运动的反向运动,因而流体微团的轨迹极其紊乱,随时间变化很快(见图2)。湍流中最重要的现象是由这种随机运动引起的动量、热量和质量的传递,其传递速率比层流高好几个数量级。
湍流利弊兼有。一方面它强化传递和反应过程;另一方面极大地增加摩擦阻力和能量损耗。鉴于湍流是自然界和各种技术过程中普遍存在的流体运动状态(例如,风和河中水流,飞行器和船舶表面附近的绕流,流体机械中流体的运动,燃烧室、反应器和换
热器中工质的运动,污染物在大气和水体中的扩散等),研究、预测和控制湍流是认识自然现象,发展现代技术的重要课题之一。湍流研究主要有两类基本问题:阐明湍流是如何发生的;了解湍流特性。由于湍流运动的随机性,研究湍流必需采用统计力学或统计平均方法。研究湍流的手段有理论分析、数值计算和实验。后二者具有重要的工程实用意义。
湍流理论
中心问题是求湍流基本方程纳维-斯托克斯方程的统计解,由于此方程的非线性和湍流解的不规则性,湍流理论成为流体力学中最困难而又引人入胜的领域。虽然湍流已经研究了一百多年,但是迄今还没有成熟的精确理论,许多基本技术问题得不到理论解释。
1895年,O.雷诺首先采用将湍流瞬时速度、瞬时压力加以平均化的平均方法,从纳维-斯托克斯方程导出湍流平均流场的基本方程——雷诺方程,奠定了湍流的理论基础。以后发展了(以混合长假设为中心的)半经验理论和各种湍流模式,为解决各种迫切的技术问题提供了一定有效的理论依据。20世纪30年代以来,湍流统计理论,特别是理想的均匀各向同性湍流理论获得了长足的进步,但是离解决实际问题还很远。60年代以来应用数学家采用泛函、拓扑和群论等数学工具,分别从统计力学和量子场论等不同角度,探索湍流理论的新途径。70年代以来,由于湍流相干结构(又称拟序结构)概念的确立,专家们试图建立确定性湍流理论。关于湍流是如何由层流演变而来的非线性理论,例如分岔理论,混沌理论和奇怪吸引子等有了重要进展。
数值计算
实质上是求湍流基本方程的数值解。一方面湍流理论困难很大,另一方面湍流问题的可解性随着计算机性能的提高而增大,因而湍流数值计算的作用越来越重要。以前湍流数值计算主要以半经验理论为基础。60年代以前,积分方法和常微分方程方法成为工程技术部门的常规算法。60年代中期以后,由于高速电子计算机的应用,提出了各种复杂的湍流模式和计算方法,偏微分方程方法获得了迅速发展。特别是,70年代以来,由于第四代巨型高速计算机的使用,湍流数值计算向大规模的数值模拟的更高阶段发展。可以预料,随着计算机的进步,湍流数值计算将有更大的发展。
湍流实验
在可控的实验条件下,利用各种测试仪器和数据处理系统,测量湍流的特征参量或显示流场。湍流实验不仅可以直接取得有用的技术数据,而且是认识湍流结构,发展湍流新概念新模式的手段。20世纪30年代热线风速仪的发明,使人们可以测量湍流的脉动速度,检验并发展理论和半经验理论。50年代随着电子仪器的完善,实验侧重于研究湍能的谱分布,特别是湍流的精细结构。60年代中期以后,由于改善了流场显示技术,采用了条件采样方法,发现不规则的湍流中存在着有一定秩序的大尺度相干结构。从此湍流相干结构成为湍流实验的新课题。(见湍流理论,湍流数值计算,湍流实验)
相关案例
2024年5月21日,新加坡航空公司一架客机在飞行过程中遭遇严重气流颠簸,随后紧急降落在泰国曼谷素万那普国际机场。该机场和新航确认,机上1人死亡、多人受伤。
最新修订时间:2024-07-29 10:38
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