摇摆条件对湍流流动特性的影响

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流体流动中的湍流现象

流体流动中的湍流现象概述湍流是液体或气体流动中最复杂和最常见的一种现象。

它在自然界中广泛存在，涵盖了从大规模大气环流到微小的涡旋结构的各种尺度的现象。

湍流具有随机性和不可预测性，给流体力学研究和应用带来了巨大的挑战。

湍流的定义和特征湍流是流体流动中发生的一种混乱和复杂的现象。

与层流相比，湍流具有以下几个明显特征：1.随机性：湍流中的速度和压力在空间和时间上具有不规则的变化。

湍流中的速度场是多尺度的，呈现出各种涡旋和旋涡结构。

2.不可预测性：湍流具有极高的敏感性和非线性特性，微小的扰动可能导致流动模式的剧烈变化。

因此，湍流被认为是不可预测的。

3.能量级联：湍流流动中的能量从大尺度向小尺度级联传递。

这种级联过程使得湍流具有广泛的能谱，并且在空间上呈现出多尺度的结构。

4.湍流混合：湍流流动中的物质混合非常强烈。

湍流可以有效地将不同性质的物质混合在一起，从而实现热量和质量的快速传递和均匀分布。

湍流的产生机制湍流的产生机制非常复杂，尚未完全理解。

然而，研究者们已经提出了一些基本的理论和模型来解释湍流的产生过程。

1.外力作用：湍流往往是由外部力作用于流体时引起的。

这些力可以是由物体表面的摩擦、压力梯度或其他形式的扰动引起的。

2.非线性相互作用：湍流是一个非线性的动力学系统。

在湍流中，流体中的不稳定模态通过非线性相互作用产生更高阶的涡旋结构。

3.能量级联：湍流中的能量从大尺度向小尺度传递，通过级联过程将大尺度的能量转化为小尺度的能量。

湍流的数学描述湍流的数学描述是一项极具挑战性的任务。

目前，人们主要使用雷诺平均Navier-Stokes方程组(RANS)、大涡模拟(LES)和直接数值模拟(DNS)等方法来描述湍流现象。

1.RANS模型：RANS模型是湍流研究中的一种常用方法。

该模型通过对湍流均值场进行尺度分解和平均化来获得平均场方程。

然后，通过引入湍流应力的参数化模型来描述湍流效应。

2.LES方法：LES方法是一种介于RANS和DNS之间的方法。

摇摆条件下子通道内湍流流体的数值分析

ｃ塌ｃｅｔａｄｏｅｉｎｎＲｅｎｏｄｓｒｓ．Ｕｎｄｒｒｌｉｇｙｌｓｔｅｓｅｏｌｎｍｏｉｎｏｉｉ．ｔｅｆｉｔｏａｒｓｓａｃｔｏｃｎｄｔｏｎｈｒｃｉｎｌｅｉｔｎｅｃｆｃｅｔｏｅｆｉｎ，ｈｅｔｔａｆｒｃｅｃｅｔａｄＲｅｎｄｔｅｓｏｃｌａｅｐｅｉｄｃｌｙＨｏｖｅｔｉａｒｎｓｅｏｆｉｎｎｙｏｌｓｓｒｓｓｉｌｔｒｏｉａｌｉｗｅ￣ｈｅ
ｂｅｃｉｅｅｙｗｅ１ｗｉＭｄ１ＴｈａｉｔｎｏｄａｄｉｏａｒｅｄｅｔｈｅｄｓｒｄｖｒｌｂｔＲＳｍｏｅ．ｅｖｒａｉｆｒｉｌｄｔｎｌｆｃｕｏｔｅｈｏａａｉｏｖｒｔｎｏｌｎｅｉｄｄｅｏｆｅｔｎｔｅ衔ｃｉｎ１ｅｉｔｎｅｃｅｃｅｔｈａａｓｅａｉｉｆｒｌｇｐｒｏｏｓｎｔｆｃｈａｏｏｉａｏｔａｓｓａｃｏ伍ｉｎ．ｅｔｒｎｆｒｏｒｔ
产生影响。在摇摆条件下，摩擦阻力系数、传热系数和Ｒｙｏｄ应力呈周期性变化，但最大摩擦阻力ｅｎｌｓ系数所在时刻并不固定，而最大传热系数却始终是在流速最大的时刻。关键词：摇摆；湍流；棒束中图分类号：Ｔ３Ｌ３文献标志码：Ａ文章编号：１０．９１（００Ｏ０１．６００６３２１）Ｓ．２００

流体流动中的湍流特性分析与模拟

流体流动中的湍流特性分析与模拟流体流动是自然界中一种非常常见的现象。

它可以在空气中、水中，甚至在地球内部和宇宙的星际空间中发生。

在流体流动中，湍流是一种十分重要且复杂的现象。

本文将对湍流的特性进行分析和模拟，以深入理解这一现象。

湍流是一种一阶的动力学效应，其特点是流体粒子之间的速度和压力可以经常性的在时间上和空间上变化。

相比之下，层流是一种有序的流动，流体粒子在流动方向上的速度变化平缓且有序。

在湍流中，流体粒子的速度和压力变化时而迅疾时而缓慢，因而产生了非线性的速度与压力关系。

这也是湍流难以被精确描述且难以预测的原因之一。

湍流中的流体粒子会发生旋转和交错，使得湍流流动的速度低于平均流速。

这种速度的低下导致了湍流中流体的能量损失，同时也使得湍流中热传输和质量传输的效果变差。

另一方面，湍流中的旋转和交错也使得湍流具有较高的混合性，即使在较短的时间内，流体也能够充分混合。

这种混合性使得湍流在工程应用中有广泛的应用，比如在化工反应器中，湍流可以增强反应物质的混合度，提高反应效率。

湍流现象的理解和模拟在工程领域具有重要意义。

在过去，湍流研究主要依赖于实验观测。

然而，实验的成本高昂且受到实验条件的限制，难以对湍流进行全面的观测和分析。

随着计算机的发展和计算流体力学的成熟，数值模拟成为研究湍流的重要手段之一。

数值模拟可以通过求解流体运动的基本方程组来模拟湍流中流体粒子的运动。

这种方法不仅可以解决湍流的基本规律，还可以模拟湍流在不同参数下的特性，为工程设计提供重要参考。

湍流模拟的关键在于求解流体运动的基本方程组。

这些方程包括质量守恒方程、动量守恒方程和能量守恒方程等。

通过数值方法对这些方程组进行离散化和迭代求解，可以得到湍流中不同位置的流速、压力和温度等参数。

这些参数可以用来分析湍流的特性，比如湍流的速度分布、湍流的压力变化等。

然而，湍流模拟也具有一定的挑战性。

由于湍流是一种非线性的现象，湍流模拟通常需要非常精细的网格划分和高精度的数值方法。

湍流的理论与分析

湍流的理论与分析湍流是一种复杂的流动形式，并且广泛存在于自然界和工程实践中。

对湍流的理论研究和分析不仅有助于深入理解流体现象，还可以为湍流控制和能源利用等方面提供支持。

本文将从湍流的定义、产生机理、湍流统计理论和湍流模拟等方面进行探讨。

一、湍流的定义湍流是指一种相对瞬态的流体运动状态，其中流体的速度和方向发生剧烈变化，造成流体的混合和扰动，呈现出随机不规则的涡动结构。

与层流（稳态流动）相比，湍流的运动特征更加复杂，无法用简单的数学公式描述。

湍流的主要特征为不规则、随机、涡动等。

二、湍流的产生机理湍流的产生机理复杂，其中包括传统的机械湍流、自然湍流、边界层失稳等多种因素。

机械湍流是由于固体物体运动时与周围介质相互作用产生的湍流现象，如风力机翼片和涡轮机叶片的湍流。

自然湍流是由于自然界中各种复杂流动引起的，如河流、海洋和大气的运动等。

边界层失稳是当涡旋从高速的流动区进入低速的流动区时产生的，例如水流从管道进入膨胀段时发生的湍流现象。

三、湍流统计理论湍流统计理论是对湍流运动规律的理论分析，是研究湍流基本性质和湍流现象的一种方法。

湍流统计理论中有两个重要的概念，一个是湍流的集成时间，另一个是湍流脉动，这两个概念分别给出了湍流时间与空间扰动中的统计特征。

其中湍流的集成时间是指机械能向湍流能转化和湍流能转化为机械能时所需的时间因子，而脉动是指在一个给定点的流动路径上，流体参数波动的相对不稳定性。

四、湍流模拟湍流模拟是一种基于数值计算的湍流研究方法，主要有两种方式：直接数值模拟（DNS）和大涡模拟（LES）。

直接数值模拟是对湍流运动的一种高精度的数值计算方法，它通过离散化流动中的微小物理尺度，运用数值方法以求解流场运动方程，得到高精度的湍流场数据。

但DNS需要的计算量庞大，计算成本高昂。

大涡模拟是在保留湍流中大尺度涡旋信息的同时，模拟和模拟所得的速度与涡旋脉动能谱于实验结果的吻合程度。

而LES所需要的计算量较之DNS低，同时保留的流场尺度也比DNS更大，能够得到更加直观的湍流现象展示。

摇摆条件下窄矩形通道内流动传热特性数值模拟

稳态条件下进行的理论分析和实验研究，对非稳态条件下矩形通道单相流动特性的研究非常少。近年来，研究人员对摇摆条件下单相水的流动和
图ｌ摇摆坐标系示意图
Ｆｉｇ．１ＳｃｈｅｍａｔｉｃＤｉａｇｒａｍｏｆＲｏｌｌｉｎｇＣｏｏｒｄｉｎａｔｅ
单位体积上的摇摆附加力，可表示为：
李隆键等：摇摆条件下窄矩形通道内流动传热特性数值模拟
８５
Ｆ＝ｐｆ＝【ｇ — ａ一 × ，一
水作为工质，静止条件下单相水流动方向垂直向
（ｏｘＣＯ × ，）一２ｃｏｘ］
式中，为摇摆角速度，ｒａｄ／ｓ；
原点，流体从Ｆ邵流入。矩形通道厚度为，宽
传热特性做了大量的研究，并取得了一定的成果，但研究研究的流道多数为圆形截面管道。由于窄矩形通道特殊的几何特征及宽窄边尺寸相差较
大，基于圆管的流动和换热经验关系式不再适用。本工作对不同摇摆工况下窄矩形通道流体的流动与传热特性进行数值模拟，并与非摇摆工况下通道内流动特性进行比较，分析雷诺数Ｒ已、摇摆周期和摇摆幅度传热特性影响规律。对窄矩形通道内流动与
（２）
为摇摆角加速
上，流体的进口温度为３０５．１６Ｋ；出口边界采用单向出流条件；忽略壁面厚度，定热流密度Ｑ＝６ × １０ｗ／ｍ；展向一侧采用对称边界条件，
度，ｒａｄ／ｓ；，为流体微元的矢径；ａ为非惯性坐标系的平移加速度；ｃｏｘ（ｃａｘｒ）为质点向心加速度； × ，为质点切向加速度；２ｏ× Ｕ为质点科氏加速度。通常可认为摇摆波动规律服从三角函数规律【４】，三者可分别表示为：

流体流动中的振荡特性与非线性行为

流体流动中的振荡特性与非线性行为引言流体力学是研究液体和气体在力的作用下产生的运动以及所涉及的相应物理特性的学科。

在流体力学中，流动振荡和非线性行为是两个重要的研究方向。

流体流动中的振荡特性与非线性行为在许多领域中具有重要的应用，如气象学、航空航天工程、生物学等。

本文将从振荡特性和非线性行为两个方面来探讨流体流动中的相关问题。

振荡特性振荡是物体在某些外界作用下，以一定频率或周期往复运动的现象。

而流体流动中的振荡特性就是指在流体中观察到的振荡现象。

流体流动中的振荡可以分为两类：自由振荡和受迫振荡。

自由振荡自由振荡是指在没有外界干扰的情况下，流体中产生的振荡现象。

在流体中，自由振荡可以表现为涡旋脱落、流动波动等形式。

其中，涡旋脱落是流体流动中常见的自由振荡现象之一。

涡旋脱落指的是在流体中形成的旋转流动结构在一定条件下从原流动中剥离并消失的现象。

涡旋脱落现象在许多工程领域中具有重要的应用，如减阻以及混合过程等。

受迫振荡受迫振荡是指在外界有周期性作用力的情况下，流体中产生的振荡现象。

在流体流动中，受迫振荡可以通过改变流体运动的速度、流量或流动部件的形状来实现。

受迫振荡的一个典型例子是在飞机机翼上产生的气动力振荡。

气动力振荡是由于流体在机翼表面产生的压力分布不均匀而引起的。

非线性行为非线性行为是指在流体流动中出现的与线性假设相违背的现象。

在流体力学中，由于流体流动本身的复杂性和非线性的力学特性，非线性行为经常出现。

非线性行为的产生可能是由于流体的非牛顿性、非定常性、湍流等因素导致的。

非牛顿性非牛顿性是指流体的流变行为不符合牛顿流体模型的特性。

牛顿流体模型假设流体的流动速度与剪切应力成正比，而实际流体在高剪切应力下呈现出非线性的流变行为。

非牛顿性的流体在流动过程中可以产生复杂的振荡、涡旋等非线性现象，如当流体黏度随剪切速率变化时，可能会发生剪切稠化或剪切稀释的现象。

非定常性非定常性是指流体的运动状态在时间上发生变化的现象。

[工学]5湍流的数学模型

湍动粘度类模型
▼一方程模型
零方程模型实质上是一种局部平衡的概念，忽略了对流和扩散的影响。为了弥补混合长度假定的局限性，人们建议在湍流时均控制方程的基础上，再建立一个湍动能的输运方程，从而使方程组封闭。
湍动能输运方程

t
ui
xi

x j

t k
)

div(
grad
)

S
湍流两方程模型
▼标准模型的控制方程
湍流两方程模型
▼标准模型的适应性
①模型中的相关系数，主要根据一些特定条件下的试验结果而确定的。
②给出的模型是针对湍流发展非常充分的湍流运动来建立
的。即是针对高Re湍流模型，而当Re较低时（例如，近壁区流动），湍流发展不充分，湍流的脉动影响可能不如分子粘性影响大，在近壁面可能再现层流。常用解决壁面流动方法有：
◆可压缩流体湍流时均控制方程（去掉-）
连续性方程运动方程

t

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0

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x
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uiu j

f i
p xi

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' i

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能量方程 T
u j
t
▼湍动粘度的提出来源于Boussinesq提出的涡粘假定，该假定建立了雷诺应力与平均速度梯度的关系

' i

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t

摇摆条件下典型通道间湍流的流动传热特性

ｇｒａｌ．Ａｔｒｌｉｔｏｅｔｙｏｌｎｇｍｏｉｎ，ａｈｐｔｈｔｄａｔｒｒｔｏｅｒａｅｓｔｅｉｃｏｉｍｅｅａｉｄｃｅｓｓ，ｅｐｅｉｌｙｉｔｓｓｃａｌｆｉｉｌｓｈａ．１，ｔｌｅｓｔｎ１ｈｅｆｏｗｉｇａｄｈｅｔｔａｆｒｏｕｒｌｎｔｆｏａｏｌｉｇｍｏｉｎｃｎｎｎａｒｎｓｅｆｔｂｕｅｌｗｔｒｌｎｔｏｈａｇｅ
鄢炳火，顾汉洋，雷于
（．军２程大学核能科学与２程系，北武汉１海１２１２湖４０３；．海交通大学核科学与２程学院，３０３２上１２上海２０４）０２０
摘要：用Ｆｕｎ软件分析了摇摆条件对典型四棒束间的湍流流体流动和传热特性的影响机理。摇摆利ｌｅｔ运动会对棒束间流体的流动传热特性产生一定影响，不会对绝热通道与加热通道内流体流动相似性但
Ａｂｔａｔｓｒｃ：ＴｈｅｉｌｅｃｃｎｓｏｏｌｉｇｍｏｔｏｎｏｎｔｅｆｏｎｇａｈａｔａｓｅｎｆｕｎｅｍｅｈａｉｍｆｒｌｎｉｈｌｗｉｎｄｅｔｒｎｆｒｃｒｃｅｉｔｃｆｔｒｈａａｔｒｓｉｓｏｕｂｕｌｎｔｆｏｗｎｔｐｉａｏｏｎｄｅｓｉｖｓｉｔｄｗｉｈＦｌｎｔｅｌｉｙｃｌｆｕｒｒｄｂｕｌｓｗａｎｅｔｇａｅｔｕｅ

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Ｋｅｒ：ｒｌｎｙｗｏｄｓｏｌｉｇ；ｔｒｌｎｔｆｏ；ｒｃａｕｌｒｔｅｕｂｕｅｌｗｅｔｎｇａｕｂ
２ＳｈｏｆＮｕｌａｃｅｃｎｇｎｅｉｇ，Ｓａｇａａｎｉｅｓｔ．ｃｏｌｃｅｒＳｉｎｅａｄＥｎｉｅｒｎｏｈｎｈｉｏＴｏｇＵｎｖｒｉｙ，Ｓａｇａ０２０，Ｃｉａ）Ｊｉｈｎｈｉ０４２ｈｎ
Ａｂｓｒｃｔａｔ：Ｔｈｅｔｒｕｌｎｌｗｎｒｃａｇｕａｕｂｔｒｌｉｏｉｓｉｖｓｉａｅｈｅｕｂｅｔｆｏｉｅｔｎｌｒｔｅａｏｌｎｇｍｔｏｎｗａｎｅｔｇｔｄｔ — ｏｅｉａｌｔｕｎｏ．ＴｈｅｅｆｃｓｏｆｓｖｅａｕｒｌｎｔｍｏｅｓａｒｍｅｅｓｏｎｒｔｃｌｙｗｉｈＦｌｅｔｃｄｅｆｅｔｅｒｌｔｂｕｅｄｌｎｄｐａａｔｒ
ｔｌｗｅｅａｌｚｄＡｔｒｌｎｏｉｎ，ｔｅｏｉｙｐｏｉｅｉｕｅｅｓｍｏｅａ — ｈｅｆｏｗｒｎａｙｅ．ｏｌｉｇｍｔｏｈｅｖｌｃｔｒｆｌｎｔｂｅｃｎｔｒｉｒｖ
ｅａｅ．Ｂｕｔｖｌｃｔｇｒｄｅｔｎｆｉｔｏｎ１ｅｉｔｎｃｃｆｉｉｎｔｎｔｗａ１ｎ— ｒｇｄｔｈｅｅｏｉｙａｉｎａｄｒｃｉａｒｓｓａｅｏｅｆｃｅｏｈｅｌｉｃｅｓ．Ｔｈｅｅｆｃｏｌｎｇｍｏｔｏｈｅｔｂｕｅｌｒａｅｆｅｔｏｆｒｌｉｉｎｏｎｔｕｒｌｎｔｆｏｗａｅｅｓｄｂｈｅｔｅｃｎｂｅｄｐｒｓｅｙｔｕｂ
ｗａ１Ａｔｐｔｈｎｇｍｏｔｏｎ，ｔｅｏｉｙｃ．ｉｃｉｉｈｅｖｌｃｔｏｏｕｎｓｌｅｔ — ｄｈａｉｕｂｓｎａ
ｄｍｂｅｌｈｐ．ＡＳｔｈｕｂｌｎｌｗｎｔｅｐｐｒｈｒｃｉｎｌｒｓｓａｃｏｆｉｕｂｌｓａｅｏｔｅｔｒｕｅｔｆｏｉｈａｅ，ｔｅｆｉｔａｅｉｔｎｅｃｅｆ— ｏ
第４卷第１期４２
２１年１月０Ｏ２
原
子
能
科
学
技
术
Ｖｏ．４，．２１４ＮＯ１
Ｄｅ．２Ｏｃ０ｌ
ＡｔｍｉｏｃＥｎｅｇｉｎｅａｄＴｅｈｎｏｙｒｙＳｃｅｃｎｃｏｌｇ
摇摆条件对湍流流动特性的影响
ｃｅｔａｏｌｎｏｉｎｉｎｉｖｅｓａｉｔｈｅｐｗｅ．７ｏｙｏｌｓｎｕｂｒｉｎｔｒｌｉｇｍｔｏｓｉｎｒｅｒｔｏｗｉｈｔｏｒｏｆ０４ｆＲｅｎｄｍｅ．
鄢炳火，顾汉洋，杨燕华，雷于
（．军工程大学核能科学与工程系，１海湖北武汉２上海交通大学核科学与工程学院，海．上４０３３０３２０４）０２０
摘要：用Ｆｕｎ软件对摇摆条件下矩形管内的湍流流体进行理论分析，析了多种湍流模型和多个参利ｌｅｔ分数对流动特性的影响。在摇摆条件下，形管中心区域速度分布趋于均匀化，壁面附近的速度梯度增矩但大，而使摩擦阻力系数增加。壁面会对摇摆条件对湍流流体的影响产生抑制作用。在纵摇条件下，从小长宽比矩形管内速度等高线成哑铃状分布。对于本文的计算流体，摆条件下的湍流摩擦阻力系数与摇
Ｒｅ的０４次方成反比。．７关键词：摇摆；流；形管湍矩
中图分类号：３ＴＬ３文献标志码：Ａ文章编号：００６３（００１ — ４ｌＯ１０ —９１２１）２１５—６
ＴｈｏｅｉａｓａｃｎＥｆｅｔｏｌｉｏｉｎｏｒｕｅｏｅｒｔｃｌＲｅｅｒｈｏｆｃｆＲｏｌｎｇＭｔｏｎＴｕｂｌｎｔＦｌｗ
ＹＡＮｎ — ｕｏＢｉｇｈ，ＧＵａ — ｎｇＨｎｙａ，ＹＡＮＧａ — Ｙｎｈｕａ。，ＹＵ
ＳｃｅｃｄｇｉｅｒｎａｌＵｖｒｉｙｆＥｎｉｅｒｎ（．ｐｒｍｅｔｆｕｌａｒＥｎｒ１ＤｅａｔｎＮｃｅｅｇｙｉｎｅａｎＥｎｎｅｉｇ，Ｎａｖｎｅｓｔｏｇｎｅｉｇ，ｏＷｕｎ３０３，Ｃｈｉｈａ４０３ｎａ；