01-湍流的基本概念

单击此处编辑母版标题样式,IFE , Zhejiang University,浙江大学航空航天学院流体工程研究所,*,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,第一,讲,湍流的基本概念,张凌新,浙江大学航空航天学院,流体工程研究所,I,nstitute of,F,luid,E,ngineering,内容,流体基本属性,连续性、可压缩性、粘性,流动的描述,湍流的特性,雷诺实验,不规则性,确定性,湍流的统计,湍流的统计量,频谱、波谱,谱函数的推广,湍流的研究,湍流的认识,湍流的研究方向,13656715841,zhanglingxin,2,流体基本属性,（,1,）,流体流动,3,流体基本属性,（,2,）,什么是流体,从列举的角度,水、大气、油；烟雾、沙尘暴,从归纳的角度：,易于流动，不能保持一定的形状,固体,液体,气体,从本质的角度：,在无数分子的聚集体内，分子间不具有绝对的约束力，分子活动剧烈,宇宙内星系群,复杂道路的交通流,4,流体基本属性,（,3,）,连续介质假设,0,1,5,流体基本属性,（,4,）,可压缩性,弹性模量,密度的变化,不可压缩,I,6,流体基本属性,（,5,）,粘性,粘性的特点,粘性力,粘性表现为阻碍流体间相对滑动；,粘性不能阻止流体间相对滑动；,静止的流体间不表现出粘性；,7,流体基本属性,（,6,）,流动的描述,质点描述方法,III,8,流体基本属性,（,7,）,流动的描述,质点描述方法,-,拉格朗日法,III,9,流体基本属性,（,8,）,流动的描述,场描述方法,-,欧拉法,I,10,流体基本属性,（,9,）,流动的描述,时间变化率,-,物质导数,11,湍流的特性,（,1,）,雷诺,实验,（,雷诺,）,12,湍流的特性,（,2,）,雷诺实验,层流,临界状态,-,转捩,湍流,或,动力粘度,运动粘度,雷诺数的定义,Re,雷诺数的不确定性,管流转捩的,Re,数：,2300-100000,13,湍流的特性,（,3,）,不规则性,不同时刻的一维速度采样,14,湍流的特性,（,4,）,不规则性,湍流三维性,15,湍流的特性,（,5,）,确定性,16,湍流的特性,（,6,）,确定性,概率密度,17,湍流的统计,（,1,）,湍流的统计量,（系综）平均速度,脉动速度,其他平均,每次的实验,18,湍流的统计,（,2,）,湍流的统计量,时间自相关函数,联合概率,这里及以下的速度全是指脉动速度,空间自相关函数,II,19,湍流的统计,（,3,）,频谱、波谱,时间平稳态中的频谱,均匀湍流中的波谱,逆变换,傅里叶变换,20,湍流的统计,（,4,）,谱函数的推广,广义谱,对非定常均匀湍流,对定常非均匀湍流变换,21,湍流的研究,（,1,）,湍流的认识,最早，认为湍流是一种,完全不规则,的运动。,30,年代，泰勒和冯卡门认为湍流是,一种不规则,的运动，它于,流体流过固壁或不同速度的流体层相互流过,时产生。,70,年代，很多人认为湍流,并不是完全随机的,运动，它内部,存在拟序大涡结构,，这些大尺度结构对湍流脉动的生成和发展起主导作用。,现在，一般认为湍流是,由各种大小和涡量不同的漩涡叠加而成,，其中大涡尺度与流动环境有关，最小涡的尺度由粘性确定。某些情况下流场做完全随机运动，另一些 情况下随机运动与拟序运动并存。,不同阶段的描述,22,湍流的研究,（,2,）,湍流的认识,梵高,星空,23,湍流的研究,（,3,）,湍流的认识,多尺度问题,24,25,湍流的研究,（,4,）,湍流的研究方向,平均流,统计理论,1877,年，布森涅斯克,提出涡流粘度理论,1925,年，,普朗特,提出混合长理论,1930,年，,卡门,提出的相似理论,1932,年，,泰勒,提出的涡量传递理论,四五十年代，,周培源,提出模式理论,泰勒（,1935,）、卡门（,1938,）和,柯尔莫戈洛夫,（,1941,）等为湍流统计理论奠定了基础。,1941,年,柯尔莫戈洛夫,提出局部各向同性概念,，认为实际流动总有边界的影响，因此受边界影响较大的大尺度涡旋的运动不可能是各向同性的，而受边界影响较少的小尺度涡旋则可能是各向同性的。,26,雷诺,雷诺,(Osborne Reynolds 1842-1912,）,德国力学家、物理学家、工程师。生于北爱尔兰，早年在工场做技术工作，,1867,年毕业于剑桥大学，,1868,年起任曼彻斯特欧文学院工程学教授。,雷诺在流体力学方面最主要的贡献是,发现流动的相似律,，他引入表征流动中流体惯性力和粘性力之比的一个量纲为,1,的数，即,雷诺数,。对于几何条件相似的各个流动，即使它们的尺寸、速度、流体不同，只要雷诺数相同，则这个流动是动力相似的。,1883,年雷诺通过管道中平滑流线性型流动（层流）向不规则带旋涡的流动（湍流）过渡的实验，阐明了这个比数的作用。,在雷诺以后，分析有关的雷诺数成为研究层流向湍流过渡的一个标准步骤。,27,普朗特,普朗特（,Ludwig,Prandtl,1875-1953,）,生于德国弗赖辛，大学时学习机械工程，后主攻弹性力学，,1900,年获得博士学位。后担任哥廷根大学应用力学系主任，建立并主持空气动力实验所和威廉皇家流体力学研究所。在近半个世纪中，普朗特注意理论与实际的联系，在力学方面取得许多开创性成果。,1901,年在一机械厂工作中，因改进用管道抽吸废屑的装置发现了气流分离问题；后来用自制水槽观察曲面流动现象，,提出边界层的理论,（全名是,论粘性很小的流体的运动,） 。普朗特在流体力学方面的主要贡献有：边界层理论。风洞实验技术；机翼理论；,湍流理论,。普朗特的,边界层理论极大地推进了空气动力学的发展,。普朗特还把有限翼展的三维机翼理论系统化，给出它的数学结果，从而创立了有限翼展机翼的举力线理论。,普朗特,培养了许多国际知名的力学家,，除近代力学另一奠基人卡门外，还有阿克莱特、普拉格、陆士嘉等。,28,卡门,冯卡门（,Theodore Von,Karman,1881-1963,）,生于匈牙利，,1908,年获得过哥廷根大学博士学位。起初，他跟随现代空气动力学之父普朗特教授研究材料力学，又和德国物理学家玻恩合作搞过晶体原子结构模型。在普朗特、希尔伯特、龙格等科学大师的熏陶下，在哥廷根大学打下了雄厚的基础。后来，他担任德国亚琛航空学院院长，主持空气动力学研究工作。,1930,年，卡门去美国定居，在加利福尼亚理工学院领导空气动力学研究，,成为航空事业的奠基人,。,1911,年，卡门发表了,“,卡门涡街,”,的论文，解释了水流过圆柱体后的漩涡现象。他把气体液体流动的附面层计算公式简化，成为后来飞机、火箭、工业输送管道的标准算法。他继承了德国数学的传统，把微分方程应用到工程上，解决了大量难题：高超音速飞行问题；三元气流场的阻力问题；超音速波阻问题；机翼计算问题，其中的卡门,-,钱学森公式适用于高速飞机设计。这些成果，掀开了超音速时代的大幕。,29,泰勒,泰勒（,Geoffrey Ingram Taylor 1886-1975,）,英国力学家。生于伦敦，,1905,年进入剑桥大学三一学院学习，毕业后在剑桥大学工作。他青年时爱好划船、滑翔、跳伞等活动，对其中不少涉及流体力学的问题深感兴趣。,1923,年被任命为皇家学会两名研究教授之一，直到退休时为止一直担任此职。,1945,年参与美国曼哈顿工程的工作，参与在新墨西哥州进行的第一颗原子弹爆炸试验。,泰勒对力学的贡献是多方面的。在流体力学方面，他阐明激波内部结构（,1910,）；,对大气湍流和湍流扩散作了研究,（,1915,，,1921,，,1932,）；得出同轴,两转动圆轴间流动的失稳条件,（,1923,），在研究原子弹爆炸中提出强爆炸的自模拟理论（,1946,，,1950,）；指出在液滴中起主要作用的是表面张力而不是粘性力（,1959,）等。,泰勒科学工作的特点是擅长巧妙地,把深刻的物理洞察力和高深的数学方法结合,起来，并善于设计出简单而又完善的专门实验。,30,周培源,周培源（,1902-1993,）,出生于江苏省宜兴县，就读于清华学校中等科，,1924,年被清华学校派送去美国芝加哥大学数理系二年级学习，于,1926,年春、夏两季分别获学士和硕士学位，,1928,年获博士学位。先后在海森伯、泡利等指导下从事量子力学研究。后被聘为国立清华大学物理系教授，其时年仅,27,岁。抗战期间，他抱著科学家应为反战服务，毅然转向流体力学方面的研究。,周培源主要成就为引力论和湍流理论，在国际上第一次提出湍流脉动方程，,奠定了湍流模式理论的基础,，进而在国际上形成了一个,湍流模式理论,流派，对推动流体力学尤其是湍流理论的研究产生了深远的影响。,周培源培养了几代力学家和物理学家。早期学生中王竹溪、彭桓武、林家翘、胡甯等都成为著名的科学家。,31,柯尔莫戈洛夫,A,N,柯尔莫戈洛夫（,1903-1987,）,柯尔莫戈洛夫出生于俄罗斯。,1920,年进入莫斯科大学，先学习冶金，后来转学数学。大学三年级时就发表了论文，表现出卓越的数学才能，载誉国际。后担任莫斯科大学数学力学研究所所长。,作为科学巨人，很难将柯尔莫戈洛夫归为一个或两个学科。他的研究范围从基础数学到数学在流体、物理、化学、地质和冶金领域。,1941,年应用随机过程的预测和内插公式于无线电工程、火炮等的自动控制、大气海洋等自然现象。在流体力学中，他得到了以他名字命名的最小涡尺度，,他对湍流统计理论的贡献至今无人能够推进,。,他是,20,多个国家的科学院外国院士，,一生获奖无数,，,1980,年获世界最著名的沃尔夫奖（数学,Nobel,），但他拒绝领奖。,32,