[第9章湍流基础.doc

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[第9章湍流基础

第9章 湍流基础 透平叶栅中的流动是一种性质极为复杂的流动,由于在现代透平中流动的雷诺数很高,同时透平转子对流动的强烈影响,都使得流道中的实际流动呈现湍流状态。 如果仍然采用层流模型进行数值研究,结果与真实值间的差距就会加大。此外,湍流其本身也是一个很复杂的问题,一方面它是流体力学领域中尚未解决的问题之一;另一方面,在求解湍流模型的过程中还会产生很多数学上的问题。 如此一来,叶栅流道内的三维湍流的数值计算就吸引了众多的学者和工程技术人员。 9.1 湍流的基本概念 9.1.1 湍流的概念和基本结构 自然界中的流动问题和工程实践中所处理的各种流体运动问题更多的是湍流流动问题。 如水在江河中的流动水通过各种水工建筑物、水处理建筑物的流动,管道中水的流动,污染物质在河流及海洋中的扩散,大气边界层流动等均多为湍流。 湍流是不同于层流的又一种流动形态。 英国的雷诺于1883年,通过其著名的圆管实验深入的揭示了这两种不同的粘性流动形态。 虽然一百多年来人们对湍流的研究不断深入,但是由于湍流运动的极端复杂性,它的基本机理至今仍未被人们所掌握,甚至至今仍然没有一个精确的定义。 雷诺(Osborne Reynolds,1842年—1912年)把湍流定义为一种蜿蜒曲折、起伏不定的流动(sinuous motion)。 泰勒(G.I.Taylor 1886年—1975年)和冯·卡门对湍流的定义是“湍流是常在流体流过固体表面或者相同流体分层流动中出现的一种不规则的流动”。 欣策(J.O.Hinze )在他的著作“Turbulence”一书中则认为湍流的更为确切的定义应该是“湍流是流体运动的一种不规则的情形。 在湍流中各种流动的物理量随时间和空间坐标而呈现出随机的变化,因而具有明确的统计平均值”。 同时,在这本书中还把泰勒和卡门对湍流所下定义中提到的两种流动状况给予专门名称:“壁面湍流”表示流过固体壁面的湍流,“自由湍流”表示流动中没有固体壁面限制的湍流流动。 湍流的运动极不规则,极不稳定,每一点的速度随时间和空间都是随机变化的,因此其结构十分复杂。 现代湍流理论认为:湍流是由各种不同尺度的涡构成的,大涡的作用是从平均流动中获得能量,是湍流的生成因素,但这种大涡是不稳定的,它不断地破碎成小涡。 换句话说,从低频的大涡到高频的小涡是一个能量级联过程,这个过程一直进行到湍动能的耗散。 如果没有连续的外部能量的提供,湍流将逐渐衰退消失,但是湍流应力和平均流动的速度梯度之间的相互作用通过频谱提供能量来防止湍流的衰退,这个过程称作“湍流的生成过程”,且能量相对粘性耗散的产生率是一个测量流动均衡状态的量。 湍流流动是一种大雷诺数、非线性、三维非定常流动。 它具有随机性、扩散性、耗散性、有旋性、记忆特性和间歇现象等特点,运动极不规则。 为了方便研究湍流的基本特性,将湍流分为均匀湍流、各向同性湍流和各向异性湍流。 均匀湍流和各向同性湍流是湍流中最简单而且在理论上研究最多的。 所谓均匀湍流是指湍流场中任何一点同一方向的速度分量的均方值处处都是相等的,任何两点的速度相关只与该两点的相对位置有关;各向同性湍流是指湍流的湍动速度分量及其对空间导数的平均值不受坐标系在空间的方位而改变。 实际的湍流,一般都是非各向同性的。 这是由于尺度大的湍动运动的速度受到平均运动流场的影响。 但对于尺度很小的湍动运动,湍动的特性不直接依赖于平均运动流场的性质,具有各向同性的特征。 因此研究这种局部各向同性的湍流具有重要的理论和实际意义。 9.1.2 湍流的基本研究方法 考虑到湍流的随机性,因此统计平均方法是处理湍流运动的基本方法。 设湍流运动的瞬时流场为: (9.1.1) 瞬时流场中某一点流速u是随时间变化的。 但是湍流运动的这种非定常性并不等同于一般概念的非定常流动。 它可能是非定常的湍流,也可能仅仅是因为湍流的随机性所表现出的非定常性。 湍流中的各物理量:流速、压强等都是随机函数,具有随机函数的特点:某个量的个别测量量具有不确定性,但是大量测量结果的平均值具有确定性。 比如: (9.1.2) 式中 表示的统计平均值,具有确定的函数值。 统计平均方法有很多种,在湍流研究中通常应用三种平均方法:时间平均法,空间平均法和系综平均法。 上式的方法就是系综平均法。 9.1.3 湍流的度量 湍流的度量包括湍流强度,湍流尺度和湍流的能谱等。 所谓湍流强度是指脉动流速的均方根与时均流速的比值,用表示。 沿三个方向的湍流强度都相等的湍流场叫“各向同性湍流场”。 (9.1.3) 脉动流速均方根 (9.1.4) 所谓湍流尺度是指湍流气团翻滚脉动

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