1、湍流是一種高度復雜的三維非穩(wěn)態(tài)、 帶旋轉(zhuǎn)的不規(guī)則流動。 在湍流中的流體的各種物理參數(shù)， 如速度、壓力、 溫度等都隨時間與空間發(fā)生隨機的變化。 從物理結(jié)構(gòu)上說， 可以把湍流看成 是由各種不同尺度的渦旋疊合而成的流動，這些漩渦的大小及旋轉(zhuǎn)軸的方向分布是隨機的。 大尺度的渦旋主要是有流動的邊界條件所決定， 其尺寸可以與流場的大小相比擬， 是引起低 頻脈動的原因； 小尺度的渦旋主要是有粘性力所決定， 其尺寸可能只有流場尺度的千分之一 量級， 是引起高頻脈動的原因。 大尺度的渦旋破裂后形成小尺度渦旋。 較小尺度的渦旋破裂 后形成更小尺度的渦旋。 因而在充分發(fā)展的湍流區(qū)域內(nèi)， 流涕渦旋的尺度可在相當寬的范

2、圍 內(nèi)連續(xù)地變化。 大尺度的渦旋不斷地從主流獲得能量， 通過渦旋間的相互作用， 能量組建向 小的渦旋傳遞。 最后由于流體粘性的作用，小尺度的渦旋不斷消失，機械能就轉(zhuǎn)化 (或稱為 耗散) 為流體的熱能。 同時， 由于邊界作用、 擾動及速度梯度的作用， 新的渦旋又不斷產(chǎn)生， 這就構(gòu)成了湍流運動。流體內(nèi)部多尺度渦旋的隨機運動構(gòu)成了湍流的一個重要特點：物理量的脈動。要注意的是， 湍流運動盡管是流體微團的運動， 但遠未達到分子水平。 無論湍流運動多 么復雜，非穩(wěn)態(tài)的 NS 方程對于湍流的瞬時運動仍然是適用的。Van.Kavman 和 I.G Taylor 對湍流的定義為：湍流是流體和氣體中出現(xiàn)的一種無規(guī)

3、則流動現(xiàn)象， 當流體流過固體邊界或相固流體相互 流過時會產(chǎn)生湍流。Hinze 對湍流的定義為：湍流是時間和空間上的一種不規(guī)則的隨機變化，可利用不同的統(tǒng)計平均值來統(tǒng)計。Bradshan 對湍流的定義為：湍流是寬范圍尺度的渦旋組成的。用一句話總結(jié)湍流：在一定雷諾數(shù)下， 流體表現(xiàn)在時間和空間上的隨機脈動運動， 流體中含有大量不同尺度 的渦旋 (eddy) 。湍流是流體的一種流動狀態(tài)。當流速很小時，流體分層流動，互不混合，稱為層流，也 稱為穩(wěn)流或片流； 逐漸增加流速， 流體的流線開始出現(xiàn)波浪狀的擺動， 擺動的頻率及振幅隨 流速的增加而增加， 此種流況稱為過渡流；當流速增加到很大時， 流線不再清楚可辨，

4、 流場 中有許多小漩渦，層流被破壞， 相鄰流層間不但有滑動， 還有混合。這時的流體作不規(guī)則運 動，有垂直于流管軸線方向的分速度產(chǎn)生，這種運動稱為湍流，又稱為亂流、擾流或紊流。E 與速度的關(guān)系流體作湍流時，阻力大流量小，能量耗損增加。實驗證明，能量耗損 E= kv2 式中 k 是比例系數(shù)，它與管道的形狀、大小以及管道的材料有關(guān)。式中的 v 是平均流速。在自然間中，我們常遇到流體作湍流，如江河急流、空氣流動、煙囪排煙等都 是湍流。這種變化可以用雷諾數(shù)來量化。 雷諾數(shù)較小時， 黏滯力對流場的影響大于慣性力， 流場 中流速的擾動會因黏滯力而衰減，流體流動穩(wěn)定，為層流；反之，若雷諾數(shù)較大時，慣性力 對流

5、場的影響大于黏滯力 1 ，流體流動較不穩(wěn)定，流速的微小變化容易發(fā)展、增強，形成 紊亂、不規(guī)則的湍流流場。流態(tài)轉(zhuǎn)變時的雷諾數(shù)值稱為臨界雷諾數(shù)。一般管道雷諾數(shù)Rev 2300為層流狀態(tài)，Re>4000為湍流狀態(tài)， Re= 23004000為過渡狀態(tài)。有效地描述湍流的性質(zhì)至今仍然是物理學中的一個重大難題。注：右圖為當層流遇到障礙物時轉(zhuǎn)變?yōu)橥牧骺諝鈩恿W中的湍流空氣動力學中的湍流指的是短時間（一般少于10min）內(nèi)的風速波動。換言之，湍流指的是最高頻譜峰值。湍流產(chǎn)生原因主要有兩個：1. 當空氣流動時，由于地形差異（例如，山峰）造成的與地表的“摩擦 ”；2. 由于空氣密度差異和氣溫變化的熱效應空氣

6、氣團垂直運動。這兩種運動往往相互關(guān)聯(lián)。湍流對飛行的影響湍流是一種氣流運動， 肉眼無法看見， 而且經(jīng)常不期而至。 引發(fā)湍流的原因可能是氣壓 變化、急流、冷鋒、暖鋒和雷暴，甚至在晴朗的天空中也可能出現(xiàn)湍流。湍流并非總能被預 測出來，雷達也發(fā)現(xiàn)不了它。根據(jù)美國聯(lián)邦航空局 （FAA） 的數(shù)據(jù)，湍流是導致機上非致命傷害的主要原因，但通常是 因為乘客或機組人員沒有系好安全帶。雖然湍流可能導致嚴重的頭部撞擊， 但通常不大可能致命。 據(jù)美國聯(lián)邦航空局統(tǒng)計， 從 1980 年到 2004 年 6月，美國的飛機總共發(fā)生過 198起湍流事故，導致 266人重傷， 3 人死 亡。湍流，又稱紊流，顧名思義，它是一種很不

7、規(guī)則的流動狀態(tài)，正因為如此，很難對湍流 給出確切的定義。 1959 年 J.O.Hinze 曾對湍流做過這樣的定義：湍流是流體的不規(guī)則運動，流場中各種量隨時間和空間坐標發(fā)生紊亂的變化， 然而從統(tǒng)計意義上說， 可以得到它們的準 確的平均值。從物理結(jié)構(gòu)上，P. Bradshan把湍流定義為：湍流是由寬尺度范圍的旋渦組成 的。總而言之，在流體力學中，湍流是指具有混亂、隨機特性的一團流體區(qū)域，流體的壓力 和速度脈動隨時空劇烈變化，在這個區(qū)域中動量的對流效果要遠大于擴散效果。與湍流相對應的是層流，如果流體質(zhì)點的軌跡是有規(guī)則的光滑曲線，這種流動叫層流。區(qū)分層流與湍流的一個重要無量綱特征參數(shù)是Re,表征慣性

8、力與粘性力的相對重要性。對于圓管流動來說， 當雷諾數(shù)大于 4000 的時候一般認為已經(jīng)是湍流， 當雷諾數(shù)小于 2100 的時 候一般認為是層流, 在雷諾數(shù)大于 2100 小于 4000的區(qū)域被稱作是過渡區(qū)域。 當流體處于湍 流狀態(tài)的時候, 許多不同尺度的非定常渦之間相互作用。 邊界層內(nèi)的摩擦阻力增加, 邊界層 分離的結(jié)構(gòu)和位置變得不確定, 有時候反而會導致整體阻力的減小。 雖然層流向湍流的轉(zhuǎn)捩 由雷諾數(shù)來控制, 但是, 當物體的尺寸逐漸變大, 或者流體的粘性逐漸減小或者流體的密度 增加的時候轉(zhuǎn)捩也會同樣發(fā)生。湍流會產(chǎn)生許多不同長度尺度的渦,但是湍流中的大部分動能包含在大尺度的結(jié)構(gòu)中, 能量的級

9、串通過慣性力從大尺度結(jié)構(gòu)向小尺度結(jié)構(gòu)傳遞,這個過程實質(zhì)上跟粘性無關(guān)。 這個過程繼續(xù)進行會產(chǎn)生越來越小的結(jié)構(gòu)組成旋渦的層次結(jié)構(gòu)。最后, 這個過程會產(chǎn)生足夠小的旋渦, 在這個尺度上分子擴散變得很重要, 能量的粘性耗散開始發(fā)生, 這個尺度通常被稱作 是 Kolmogorov 尺度。湍流的擴散通常用湍流的擴散系數(shù)來表示, 湍流擴散系數(shù)的定義類比于分子擴散 （ Fick's law），這只是唯象意義上的描述，事實上并不包含真實的物理含義。因為湍流擴散系數(shù)取決于流動狀態(tài)， 而不是流體本身的物性。 湍流粘性系數(shù)的定義是從定量上刻畫湍流流場的最簡 單近似,在此基礎(chǔ)上提出了許多湍流模型來模擬湍流場。湍流

10、是一種高度復雜的三維非穩(wěn)態(tài)、 帶旋轉(zhuǎn)的不規(guī)則流動。 在湍流中的流體的各種物理 參數(shù),如速度、壓力、溫度等都隨時間與空間發(fā)生隨機的變化。從物理結(jié)構(gòu)上說,可以把湍 流看成是由各種不同尺度的渦旋疊合而成的流動, 這些漩渦的大小及旋轉(zhuǎn)軸的方向分布是隨 機的。 大尺度的旋渦主要是由流動的邊界條件所決定, 其尺寸可以與流場的大小相比擬, 是 引起低頻脈動的原因； 小尺度的旋渦主要是有粘性力所決定, 其尺寸可能只有流場尺度的千 分之一量級, 是引起高頻脈動的原因。 大尺度的旋渦破裂后形成小尺度旋渦。 較小尺度的旋 渦破裂后形成更小尺度的。 因而在充分發(fā)展的湍流區(qū)域內(nèi), 流體旋渦的尺度可在相當寬的范 圍內(nèi)連續(xù)地變化。 大尺度的旋渦不斷地從主流獲得能量, 通過旋渦間的相互作用, 能量逐漸 向小的旋渦傳遞。最后由于流體粘性的作用, 小尺度的旋渦不斷消失, 機械能就轉(zhuǎn)化（或稱 為耗散）為流體的熱能。同時,由于邊界作用、擾動及速度梯度的作用,新的旋渦又不斷產(chǎn) 生,這就構(gòu)成了湍流運動。當設計一個管道系統(tǒng)的時候, 當管道內(nèi)的流動時湍流時與層流相比需要從入口處輸出更 高的能量。但是在有熱量交換或者反應容器的地方,湍流對于熱量傳遞和摻混是有利的。從數(shù)學的角度來講,對于控制流體運動的Navier-Stokes 方程的某些特解,都會在大雷諾數(shù)下變的不穩(wěn)定。 對初始條件