高等流体力学-第四讲-（精选）公开课件.ppt

* 北京工业大学市政学科部——马长明 高等流体(水）力学讲稿 第四讲 紊（湍）流运动基础 本讲主要内容 一、紊流现象及特征 二、基于统计理论描述的紊流运动方程 三、紊流统计理论与紊流模式理论简介 北京工业大学市政学科部——马长明 高等流体(水）力学讲稿 第四讲 紊（湍）流运动基础 一、紊流现象及特征 1、雷诺实验 1883年雷诺进行了著名的实验，证实了流动的两种形态， 层流与紊流（湍流）（Turbulent Flow）。 流动形态与雷诺数有关， 与来流的紊动度及环境扰动有关。 临界雷诺数： 实验说明，随着雷诺数的增大，流动的发展过程： （1）层流 （2）过渡阶段 （3）紊流 雷诺实验 北京工业大学市政学科部——马长明 高等流体(水）力学讲稿 第四讲 紊（湍）流运动基础 2、紊流的时间序列和频谱分析 从紊流频谱图可以看出：完全发展的紊流是具有： 宽频带，连续谱扰动的完全不规则流动。 可以归结为： （1）层流：满足N-S方程，在给定定解条件下有确定性解。 （2）过渡初始阶段：出现时间（空间）上的周期性扰动。 （3）过渡过程的发展阶段：出现多种周期的窄带扰动，规则性流动逐渐破坏。 （4）紊流：宽频带，连续谱扰动的完全不规则流动； 紊流运动是实验不能完全再现的随机运动，同 样的定界条件将给出不同的众多解。 紊流频谱图 紊流发展过程图释 紊流发展过程图片 北京工业大学市政学科部——马长明 高等流体(水）力学讲稿 第四讲 紊（湍）流运动基础 3、紊流问题研究分类 理论上要求回答：紊流的发生、发展物理机理和结构。 应用上要求回答：紊流的平均流场、阻力、能耗与扩散的定量确定。 （1）N-S方程是否能用于描述紊流运动？ （2）紊流的发生——流动稳定性研究（仅有几个线性流动解） 在给定边界条件的小扰动值下，求解线性化后的N-S方程，对不同的雷诺数，由扰动是否衰减，来确定临界雷诺数。 （3）紊流是否有规律—紊流结构的实验研究 1）壁面剪切紊流的拟序结构（Quasi-order Structure） 猝发（Burst）过程：低速带，上升马蹄涡，喷射，清扫。 2）自由紊流的相干结构（Coherent Structure） 稳定流动性图示 拟序结构图片 拟序图示2 拟序图示1 轴对称射流 二维差混合层 尾流 北京工业大学市政学科部——马长明 高等流体(水）力学讲稿 第四讲 紊（湍）流运动基础 （4）充分发展的紊流研究 紊流的发生：剪切层的存在—产生涡。 对充分发展的紊流研究分类： 1）自由剪切紊流：剪切层由流速间断面引起，紊动发展 不受边壁的限制； 2）边壁剪切紊流：剪切层由边壁附着引起，紊动发展受 边壁限制。 3）均匀各向同性紊流：作为理论研究的假想模型。流动 中无速度梯度，也无剪切应力。 （剪切层的类型图示） 北京工业大学市政学科部——马长明 高等流体(水）力学讲稿 第四讲 紊（湍）流运动基础 5、充分发展紊流特性 对紊流还没有准确的、统一公认的定义。 简单的说：不规则的、随机的三维非恒定有旋运动。 紊流具有下述特性 （1）不规则性； （2）扩散性：动量、能量、浓度、温度的扩散，由紊动产生的扩散能力远远大于分子扩散能力。 （3）三维有涡性。组成涡的尺度范围很大，小尺度涡趋于各向同性，大尺度涡是各向异性的。 （4）耗能性：大尺度涡从主流中获得能量，小尺度涡耗散掉这些能量。 （5）连续性； （6）大雷诺数。 紊流是由各种不同尺度的大小涡旋组合而成的复杂运动。 北京工业大学市政学科部——马长明 高等流体(水）力学讲稿 第四讲 紊（湍）流运动基础 二、基于统计理论的紊流运动方程 1、基本统计量 对不可压缩流动问题，基本未知量ui，p可认为是具有一定统计规律的随机变量，即：可表示为 其中上划线表示平均值，上ui’ 、p’表示脉动值，称为“涨落”（Fluctuation）。 （1）系综平均与时间平均 1）系综平均（ensemble average） 系综平均测定 系综测定概率密度