湍流的研究进展
湍流的研究进展
***1
（1.****大学，** ** ******）
摘要：本文对湍流研究的进展上的一些突出实践做了简要介绍，对于解决湍流的理论依据上的发展，
湍流的试验方法，以及近几年来，随着计算机技术的高速发展，湍流的数据处理上更是高速发展。
关键词：湍流；研究；理论依据；试验方法；计算机
Research progress of turbulence
******
（1.** university of **，** **，******）
Abstract：The turbulence research progress on some of the prominent practice is briefly introduced in this article. For solving turbulent theory basis of development. The test method of turbulence. And in recent years, with the rapid development of computer technology，turbulent data processing is more rapid development。
Keywords：turbulence；Research；theory evidence；experimental method；Computer
1 引言
包括已故诺贝尔奖获得者Feynman在内的好几位物理学家认为，湍流是经典物理学中尚未得到解决的一个大难题，对于湍流的研究进展，可以导致许多实际工程及科学应用的进步。例如，可以减少飞机飞行师气流湍动的影响，提高飞机的机动性，提高发动机的燃料效率（参见Moin and Kim，1997）[1]。
半个多世纪前，Kolmogorov（1941）[2]提出了现在著名的表镀铝和假设它们代表了我们了解湍流性质的重要的里程碑。
在本文中，我们将综述对于湍流基础问题的基本认识的一些进展。例如，我们将综述以下方面的进展：湍流时的运动方程，湍流的试验进展，计算机对湍流研究的影响。
湍流是杂乱无章地在各个方向上以大小不同的速度运动，流体的质点强烈混合，但是总的或平均的运动是向前的。湍流中的任一位置上的质点除了在主流方向是的运动以外，还有各方向上附加的及其不规则的运动。
我们将着重讨论不可压缩的各向同性湍流，同时提醒读者主义考虑那些可压缩性对各向同性湍流中能量传递过程影响的文章。Girimaji and Zhou（1950）[3]研究了Burgers湍流的有关惯性区及远耗散区中的普及能量传递的各种问题。三维可压缩湍流直接数值模拟（DNS）的分辨率（见Lele，1994的综合文章）[4]却只限于很有限的谱尺度范围。对于低湍流Mach数，可压缩传递实际上对于所有的谱空间都是正值，这是可压缩能产生的原因。
自从电子计算机出现以后,很多复杂而繁重的计算,都能由计算机来担任,使很多科学工作者从擎杂的简单劳动中解脱出来。而且用计算机代替人进行计算,既快又准确。对于和湍流研究有关问题的计算工作当然也不例外。
2 湍流时的运动方程
连续性方程与运动方程不能直接用于求解湍流流动问题，这是由于湍流流动极不规则，每一个质点的速度都随着时间和空间随机的变化着[5]。可以根据时均值的概念即将流场中任一点的瞬时物理量分解为时均值和脉动值，然后应用统计平均的方法从奈维-斯托克斯方程出发，研究平均运动的变化规律。
2.1．湍流的平均动量方程--雷诺方程
不可压缩粘性流体Ｎ－Ｓ方程在笛卡儿座标系中的表达式为：
（1）
（2）故有：（3）
对上式进行时均运算，应用脉动值的性质，可得：
（4）
或（5）
这就是著名的“雷诺方程”。
各项的物理意义：
--单位质量流体平均运动动量的局部变化率；
--单位质量流体平均运动动量的迁移变化率；
--作用在单位质量流体上的质量力的平均值；
--作用在单位质量流体上的平均流动压力的合力；
--作用在单位质量流体上的平均流动粘性力的合力
以上各项与层流流动中各项相对应。
湍流的运动方程是解决湍流问题的基本工具，是发展湍流研究的基础。
3 湍流的实验进展
3.1 1950年以前湍流实验技术的简述—热线流速仪
在本世纪20年代以前,测量流速主要是皮托管等测量平均流速的仪器。到20年代开始则有热线流速仪[6]。它是基于非电量电侧法的原理,进行平均流速和瞬时流速测量的一种电测仪器。
热线(热膜)流速仪从发展到现在已有了70余年的历史,其功能逐渐完善,应用范围逐渐扩大,目前是流体力学中应用最广的仪器之一。,除了热线流速仪以外,曾有染色或带粒子的流场显示的高速摄影等实验手段。但这些手段对研究湍流多半只有定性的参考价值,没有多少定量的数据可以得到。
3.2湍流随机采样技术的发展和应用
众所周知,湍流测量以前大都采用模拟方法,即用各种传感器把湍流脉动信号转化为电讯号,然后再用各种模拟电路把这些讯号加工成所需要的湍流参数。
所谓湍流一般的随机采样技术[7],是指按一定的采样速度,无条件地把湍流内连续的随机信号变换为离散的数字信号,然后用电子计算机技术来加工处理。通常都用快速傅立叶变换(FFT)法和快速褶积法以及快速相关法等算法。所谓条件采样,是把湍流中的随机信号,按我们要研究的对象的某种条件来采样,曹如,取采样平均的条件,、或采样位置的条件等等,至于加工处理大都也用电子计算机和各种有效的算法。采集随机信号的装置,可以是模拟式的,也可以是数字式的。.通常,随机采样.技术主要有两大类:一是直接的数字采样系统,把湍流信号离散采集在数字磁带上,.然后电子计算机加工处理这些数据;、再是混合系统,’先把湍流信号连续地记录在模拟磁带上,然后用A/D变换器对这些数据离散地加以量化,并采集在数字磁带上,或由A/D变换器直接送入电子计算机处理。在计算机上可以用软件来加工这些数据,也可以用硬件来处理。后者一般是做实时讯号分析。现在常用的是混合系统式的随机采样系统。用模拟磁带记录湍流信号,通常用得最广的是F丫法,即频率调制方法。它的原理是使载频信号的频率和输入数据的信号的振幅互相模拟。它大体上经历调制、磁记录、重发和解调等过程。;这种方法的主要优点在于能做直流响应,这样就不会丢掉湍流信号中较重要的低频部分。同时FM法的信噪比也能满足湍流测量精度的要求。即使这样,由于传感器及其放大系统从直流开始的低频响应一般较差,为了更仔细地研究湍流信号中的低频特性,有时还要采用慢记录快放的办法。
近10年来利用随机采样技术,进行了大量的湍流实验研究,取得了丰硕的成果。例如用条件采样,,研究过以下湍流现象:关于两个相反方向旋转同心圆柱间的Couet仁e流的螺线湍流间题,关于边界层内T0llmien-sehliehting波的非线性不稳定性,关于剪切流可能是具有某些特征的拟周期波的随机叠加的一些验证性试验;关于气流在波动面上的流动及其相互千涉现象,关于自由湍流或湍流边界层外部区域上的间歇现象,关于近壁粘性层湍斑的形成与发展以及与此相关的碎发现象等等。通过这些研究发现了湍流的一些重要的新规律和机理,如湍流中的拟序结构等等。。
3.3大涡旋模拟
按照湍流的涡旋学说，湍流的脉动与混合主要是由大尺度的涡造成的。大尺度的涡从主流中获得能量，它们是高度地非各向同性的。而且随流动的情形而异。大尺度的涡通过相互作用把能量传递给小尺度的涡。小尺度涡的主要作用是耗散能量，它们几乎是各向同性的，而且不同流动中的小尺度涡有许多共性。关于涡旋的上述认识就导致了大尺度涡模拟的数值解法。这种方法旨在用非稳态的Navier－Stokes方程来直接模拟大尺度涡，但不直接计算小尺度涡，小涡对大涡的影响通过近似的模型来考虑。这种数值计算方法仍然需要比较大的计算机容量
3.4 其他湍流技术的发展
在其他湍流实验技术中,我们只准备谈一下激光多卜勒流速计[8]。这是近年来迅速发展起来的一种测速仪器。它利用了激光多卜勒效应。由于流体中悬浮粒子的运动使散射光频率产生偏移,测出频率偏移·量就可以算出流体移动的速度。
另外由于粒子的不均匀造成讯号脱落也是很讨厌的间题。近来采用干涉条纹技术并加大激光功率,虽大有改进,世又引进了一些新问题。另外昂贵的光学系统,较之热线来说也是远不能相比的。目前它的应用范围还远不如热线流速仪。还必须从原理上和技术上进行大的改革,才能得到普遍的推广。目前和今后相当长的一段时间内,热线(热膜)流速仪仍将是流体力学测量的主要手段。
湍流实验是由理论到实践的重要方式，湍流实验的发展可以有效地促进湍流知识在提高社会生产力中的作用。
4计算机对湍流研究的影响
4.1计算机对和湍流研究有关问题计算中所起的作用
自从电子计算机出现以后,很多复杂而繁重的计算,都能由计算机来担任,使很多科学工作者从擎杂的简单劳动中解脱出来。而且用计算机代替人进行计算,既快又准确。对于和湍流研究有关问题的计算工作当然也不例外[10]。
由于电子计算机的出现,过去人力所没有办法完成的复杂的计算工作变得可以由计算机来完成了。例如周培源教授的湍流一般理论,过去由于是复杂的联立偏微分方程,所以无法准确求解。现在有了电子计算机,就可以在机器上用数字方法精确求解了。
4.2湍流的数字模拟
旱在40年代,Vou Neumann曾在一次内部报告中有远见地提出,湍流的问题要高速计算机来解决。以后电子计算机逐步发展,到1965年,三个气象学家集团,即SmagorinskyJ.Manabes&Hollow-ay[11],Leith C.E.，, Mintz Y分别开始用电子计算机来数字模拟二维湍流运动。以后J.W.Deardorfftlo在1970年开始用计算机数字模拟在高Roynolds数时的三维湍流运动。以后采用小网格等方法来模拟揣流运动的工作很多。
在数字模拟时,通常采用Navier一StOlces方程和连续方程再加上一定的周期性的边界条件和初始条件进行计算求解[12]。由于对小的涡旋,网格必须分得很细才行。而网格的粗细又受到计算机容量的限制。
直到目前为止[13],用计算机数字模拟揣流运动只有大涡旋比较好,小的涡旋则和实验差得比较远。这里可能有下列儿方面的原因:①网格间距太大,不能反映小涡旋的运动。这就是刚才所说的一些情况。但这并不排斥可能有其他因素的影响。②周期性的边界条件可能和实际涡流运动的边界条件有一定出入。③Navier-Stokes方程在给定很好的初始条件以后,计算到一定时候要出现分叉。而电子计算机的计算通常需要解析性条件,在碰到奇点时可能会出问题[12]。
5 结语
总的来说,湍流问题离彻底解决还有相当长的距离。但还是有了不少的进展。其中值得注意的有下列三点：①解决湍流问题的公式工具增多，让解决问题时有理可循。②科学技术提高让湍流的实验便于进行。③在实验数据的处理上，由于近几年来计算机水平的高速发展使得庞大的数据量可以短时间内解决，大大缩短了时间。
总之，现在湍流的问题距离彻底解决还很遥远，但是我们已经看到了光明的前景，有了学者们的辛勤努力，我们一定能把湍流问题很好地解决。
参考文献
[1] Moin P,Kim J.Tackling turbulence with supercomputers,Scientific American,1997,276-62
[2] Kolmogorov AN.Local structure of turbulence in incompressible viscous fluids for very large Reynolds nuebers.CR Acad Sic USSR,1941,30-301
[3] Girimaji SS,Zhou Y.Spectrum and energy transfer in steady Burgers turbulence.Phys Lett A,1995,202-279
[4] Lete https://www.360docs.net/doc/0719492937.html,pressibility effect on turbulence.Ann Rev Fluid Mech,1994,26-211
[5] 陈涛张国亮，化工过程传递基础，3 （2009）96-101
[6] Dryden,H.L.,J.Applied Mech.,4(1937),105-108.
[7] 周光炯、盛森芝,力学,激光流速计,3(1974).
[8] Watrasiewiez,B.M.,Rudd,M.J.,LaserDoPPlerMeasurements(1976).
[9] 刘式达等,孤立波和同宿轨道,力学与实践,1991,13(4):9～15
[10] Deardorff,J.W.,J.F.M.,41(1970),453;https://www.360docs.net/doc/0719492937.html,P.Phys.,1(2972),120.
[11] Leonard,A.,Ady.in GeophyS.,A 18(1973),137.
[12] Barenblatt G I.Scaling laws for fully developed turbulent shear flow.J.F.M.1993,248-529
[13] 魏中磊等.网格湍流微结构的实验研究.力学学报,1988,20(3):200-205
湍流模拟与控制技术的研究
湍流模拟与控制技术的研究 湍流是自然界中相当普遍的现象，它可能出现在各种情况下： 例如在高速公路上汽车相互之间产生的气流，飞行器在飞行中对 空气的影响等等。因此，湍流具有非常重要的研究意义。然而， 湍流的复杂性使得其难以被准确描述和预测，这对于湍流控制问 题的解决带来了巨大的挑战。本文将探讨湍流模拟与控制技术的 研究进展。 I. 湍流模拟技术 湍流模拟是研究湍流现象的主要手段之一。基于不同的数值模 拟方法，湍流模拟可以分为直接数值模拟(DNS)、大涡模拟(LES)、雷诺平均(方法)模拟(RANS)等不同的技术。这些技术的精度和应 用范围各不相同。 DNS是湍流模拟中最精确的一种方法，在DNS中，所有湍流 涡旋都会被模拟出来。但是它的计算量也是最大的，因为需要模 拟所有长度尺度的湍流涡旋，因此只适合处理小尺度的湍流问题。LES则只模拟大尺度的湍流涡旋，相对于DNS，它的计算量较小，也更适合研究较大尺度的湍流问题。RANS方法则适用于大规模 湍流问题，并且能够比较好地处理湍流边界层问题。
近年来，由于计算机性能的不断提高，湍流模拟技术的精度和应用范围也在不断扩大。同时，基于人工智能的技术也开始被应用到湍流模拟中，这种将深度学习应用于流体力学研究的方法被称为深度湍流学习。 II. 湍流控制技术 湍流控制是研究如何在湍流流场中控制湍流涡旋的行为，进而优化流场的控制技术。湍流控制技术的主要应用领域包括航空航天、汽车、化工等领域。 湍流控制技术可以分为被动控制和主动控制两种。被动控制主要采用各种措施对流体采取某种限制手段，通过改变流体的流动状态以抑制湍流，例如在翼型的表面上设置阻力体、过渡区、减阻区等等。主动控制则是通过外部的力或控制装置控制流体的动态性质，以改善流场的运动状态和控制湍流涡旋。目前，主动控制技术主要包括周期性摆动、脉冲激励、人工湍流激发、流体注入等。
湍流的研究进展
湍流的研究进展 ***1 （1.****大学，** ** ******） 摘要：本文对湍流研究的进展上的一些突出实践做了简要介绍，对于解决湍流的理论依据上的发展， 湍流的试验方法，以及近几年来，随着计算机技术的高速发展，湍流的数据处理上更是高速发展。 关键词：湍流；研究；理论依据；试验方法；计算机 Research progress of turbulence ****** （1.** university of **，** **，******） Abstract：The turbulence research progress on some of the prominent practice is briefly introduced in this article. For solving turbulent theory basis of development. The test method of turbulence. And in recent years, with the rapid development of computer technology，turbulent data processing is more rapid development。 Keywords：turbulence；Research；theory evidence；experimental method；Computer 1 引言 包括已故诺贝尔奖获得者Feynman在内的好几位物理学家认为，湍流是经典物理学中尚未得到解决的一个大难题，对于湍流的研究进展，可以导致许多实际工程及科学应用的进步。例如，可以减少飞机飞行师气流湍动的影响，提高飞机的机动性，提高发动机的燃料效率（参见Moin and Kim，1997）[1]。 半个多世纪前，Kolmogorov（1941）[2]提出了现在著名的表镀铝和假设它们代表了我们了解湍流性质的重要的里程碑。 在本文中，我们将综述对于湍流基础问题的基本认识的一些进展。例如，我们将综述以下方面的进展：湍流时的运动方程，湍流的试验进展，计算机对湍流研究的影响。 湍流是杂乱无章地在各个方向上以大小不同的速度运动，流体的质点强烈混合，但是总的或平均的运动是向前的。湍流中的任一位置上的质点除了在主流方向是的运动以外，还有各方向上附加的及其不规则的运动。 我们将着重讨论不可压缩的各向同性湍流，同时提醒读者主义考虑那些可压缩性对各向同性湍流中能量传递过程影响的文章。Girimaji and Zhou（1950）[3]研究了Burgers湍流的有关惯性区及远耗散区中的普及能量传递的各种问题。三维可压缩湍流直接数值模拟（DNS）的分辨率（见Lele，1994的综合文章）[4]却只限于很有限的谱尺度范围。对于低湍流Mach数，可压缩传递实际上对于所有的谱空间都是正值，这是可压缩能产生的原因。 自从电子计算机出现以后,很多复杂而繁重的计算,都能由计算机来担任,使很多科学工作者从擎杂的简单劳动中解脱出来。而且用计算机代替人进行计算,既快又准确。对于和湍流研究有关问题的计算工作当然也不例外。 2 湍流时的运动方程
物理学中的湍流流动机理研究
物理学中的湍流流动机理研究湍流流动是物理学中一个重要的研究领域。它涉及到大量极其复杂的物理现象和数学问题，而且它的研究对于许多工程领域的进步都有着非常重要的影响。因此，湍流流动机理研究一直是物理学家和工程师们的重要课题。本文将介绍一些关于湍流流动机理研究的基本知识和最新研究成果。 湍流流动的特征 湍流是一种高度复杂的不稳定流动状态，它具有以下特征： 不规则性：湍流流动的颗粒方向、流速、压力甚至形状的变化非常不规则，这使得湍流流动很难被描述和预测。 多尺度性：湍流流动的流体运动具有许多不同尺度的波动，从微观的螺旋涡到大尺度的湍流涡旋，这些波动之间存在着复杂的相互作用和演化。 高能量消耗：湍流流动中存在着大量的分子和粒子的能量互相转化和耗散，这使得湍流流动的能耗比其他流动形式要高得多。
湍流流动的本质 湍流流动的本质实际上是流体中的微观涡旋运动，这种微观涡 旋的运动会在不同的尺度上不断地繁殖和演化，最终形成复杂的、高度非线性的宏观涡旋结构。这些宏观涡旋的运动涉及到大量的 非线性物理效应和数学问题，使得湍流流动的模拟、预测和控制 都非常困难。 湍流流动的研究方法 湍流流动研究的主要方法包括实验观测、数值模拟和理论分析。实验观测是湍流流动研究的基础，通过测量流体的速度、压力和 运动的几何形态等参数，可以获取湍流流动的各种特性。数值模 拟则是通过计算湍流流动中的各种物理量，来模拟和预测湍流流 动的行为。理论分析则是从物理和数学的角度深入研究湍流流动 的本质和机理，从而揭示其规律和特性。 最新研究进展
近年来，湍流流动研究在实验、数值和理论方面取得了很大的 进展。下面介绍一些最新的研究成果： 1.实验研究 近年来，实验研究者发现了一些新的湍流现象，这些现象为揭 示湍流流动机理提供了新的线索。例如，一些实验表明，在某些 条件下，湍流流动可以转化为一种混沌状态，这种状态和非线性 动力学中的混沌现象具有相似的数学特征。另外，实验研究也揭 示了湍流流动中的层流和湍流边界层等结构，这些结构在工程实 践中的应用具有重要意义。 2.数值模拟 数值模拟一直是湍流流动研究的主要手段之一。最近，一些新 的数值模拟技术的应用使得湍流流动的计算能够更加精确和快速。例如，高性能计算平台的应用、基于机器学习的优化模型等，都 使得数值模拟的效率和精度得到了提高。此外，针对不同工程问 题的特点和要求，也出现了许多新的、专门的湍流流动数值模拟 软件。
高速流体力学中的湍流现象研究
高速流体力学中的湍流现象研究 湍流是流体力学中一个复杂而普遍存在的现象，广泛应用于各个领域，包括工程、天气、海洋、环境等等。在高速流体力学中，湍流现象对流动的影响尤为明显，研究湍流现象可以帮助我们更好地理解流体在高速流动中的行为，并设计出更有效的工程解决方案。本文将探讨高速流体力学中的湍流现象及其研究进展。 首先，让我们来了解一下湍流的基本概念。湍流是指在流体运动时，流速和压 力等物理量的瞬时变化存在随机性和不规则性的流动状态。相比于层流，湍流流动的速度变化更加剧烈，流动方向也更加混乱。湍流的产生可以归因于流体运动中的惯性力和黏性力之间的相互作用。当惯性力占主导作用时，流体会形成湍流。 在高速流体力学中，湍流现象的研究具有重要的理论和实际意义。一方面，高 速流动中的湍流现象不仅会增加能量损耗，还会导致流体中的压力和温度等物理量分布不均匀，影响流体运动的稳定性。另一方面，湍流现象还可能引起水力或气动设备的振荡和噪声，对设备的寿命和性能造成负面影响。因此，深入研究高速流体中的湍流现象，可以帮助我们更好地优化工程设计、提高能源利用效率和减少环境污染。 在湍流现象的研究中，数值模拟和实验是两种常用的方法。数值模拟通过在计 算机上建立湍流的数学模型，模拟流体的流动过程，可以提供湍流现象的详细信息和流场分布。然而，数值模拟也有其局限性，比如计算所需的时间和计算资源较大，对初始和边界条件的准确性要求高等等。因此，为了验证数值模拟结果的准确性，实验研究也是不可或缺的。实验可以通过在实际装置或模型上测量流动参数和观察流动行为，来获取湍流的实际数据。 过去几十年来，湍流现象的研究取得了显著进展。通过理论分析、数值模拟和 实验研究，我们对湍流的理解逐渐深入。在高速流体力学中，湍流现象的研究主要关注以下几个方面：
湍流研究的现状和进展
湍流研究的现状和进展 湍流（Turbulence）在自然界中是一种普遍存在的现象，比如水、空气、尤其是太阳系中天体运动活动等，湍流发挥着重要作用。由于湍流具有复杂的运动性质和多变的影响因素，因此，人们对湍流的研究也不断进行，在这些研究中，湍流已经成为当今物理学领域研究最深入和最规模最大的一个问题。 湍流研究历史悠久，可以追溯至18世纪，早在1783年，英国著名科学家韦伯（Leonard Euler）就提出了湍流流体运动的基本方程，这是开启湍流研究的一大突破，在19世纪末期，爱因斯坦（Albert Einstein）又提出了湍流方程，许多人因此而贡献出宝贵的研究成果。20世纪初期，由于科学技术的进步，许多湍流理论的发展也得到了一定的突破。比如在1920年，湍流特性的研究者林奈（L.F. Richardson）提出了一种新的理论，他指出湍流流体的混合过程可以用一个叫做“级数混合”的方法来模拟，而这一理论在过去的90多年里一直是湍流研究的重要参照物。 20世纪40年代，湍流研究又迎来了一次重要突破，即近似动态子网格技术（Dynamic Subgrid Model），它允许人们用计算机来模拟湍流使其变得更易于理解和操作。此外，由于空间和时间分辨率不断提高，磁摆式技术（Magnetic Momentum Method）也发展出来，它结合了积分方程和分流技术，从而可以模拟更加复杂的湍流。 《孤立圆柱的湍流结构与稳定性》是20世纪50年代湍流研究的一次重要发展。有关研究者发现，当流体以一定的速度流过一个垂直
的圆柱时，湍流的漩涡结构会呈现出特定的稳定态，并且周围的空气流动会影响其稳定性，从而揭示了湍流及其稳定性的本质特性。 20世纪80年代以来，随着大计算机技术的发展，湍流研究进入了一个新的阶段，开展了大规模的实验测量和计算机模拟研究，用实验和计算机模拟研究的结果来检验理论模型。在近30年的研究中，许多新的湍流理论也得到了发展，比如湍流与风洞、燃烧和内部流动机理等，都有了进一步深入的研究。 随着计算技术的发展，湍流理论的进步也在不断加快，各种新的理论模型也不断涌现，比如风洞研究、空气动力学仿真等，都为湍流研究带来新的突破。此外，由于湍流理论有着广泛的应用领域，比如航空、电子行业等，使得湍流研究的热度越来越高，许多科研机构和学术机构都开展了大量的湍流研究，在相关领域取得了不少成果。 今天，湍流研究的发展已经超越了简单的实验研究，许多专家发现湍流的发展更多的是由物理学家和工程师的连续努力带来的。在这种环境下，湍流研究还有许多可以深入探索的课题。未来，在计算机技术和其他技术的不断发展下，湍流研究将会越来越深入，有望成为物理学研究中又一个有趣的领域。 湍流是一个无穷无尽的话题，它涉及着许多科学领域，从数学到物理学到工程学，这一切都使得湍流研究变得更加有意义和有趣。湍流研究者们正在不断努力，希望能够更好地理解湍流的特性、结构和影响，以便更好地利用它，为各个领域的发展做出更大的贡献。 总之，经历了几个世纪的发展，湍流研究已经取得了较大进展，
湍流研究的现状和进展
湍流研究的现状和进展 近几年来，随着生物，计算和流体力学等多学科技术的发展，湍流的研究受到了高度关注。湍流研究的重要性在于，它不仅可以帮助我们理解气象现象和宇宙中的环境系统，还可以提高航空航天技术和车辆设计的质量。因此，湍流研究已经成为制定科学政策以及解决大规模复杂问题的重要工具。 随着计算技术和仿真技术的进步，湍流领域的技术也在发展。例如，利用高精度的计算机模拟技术，将流体操作模式转换为数字模型，从而实现了对湍流的精确研究。同时，研究人员也开发了用于湍流数据分析的新方法，以更好地理解流体动力学。研究还发现，湍流的结构比原来想象的更复杂，而小尺度的湍流动力学研究也发现了一些新的有趣特性。 此外，在湍流流体力学研究中，重要的发现之一是，湍流是一种非线性系统。这表明，尽管它们的基本特征可以有效地利用线性理论描述，但它们之间的复杂相互作用却无法用线性模型表示。因此，更多的研究工作聚焦于开发新的非线性研究方法，以更好地理解湍流，以及更精确地模拟它们。 有了这些新技术和研究方法，科学家们也正在尝试控制湍流。例如，研究人员发现，湍流中的激波可以通过控制流体运动或应用内部结构（例如涡轮）来改善。此外，在航空升力技术研究中，离散吸收和涡激波发生等技术也得到了广泛的应用。这些技术的实际应用可以显著改善飞行性能和运行稳定性。
除了控制湍流外，研究人员还致力于开发新的流体力学模型，以准确地模拟湍流的特性。例如，提出的Lattice Boltzmann模型及其改进版本可以进一步提高湍流建模的精确性，特别是在计算机辅助设计方面，该模型具有更高的精度和更多的实用价值。 总之，湍流在现代科学研究中发挥着重要作用。随着计算技术和仿真技术的发展，湍流研究取得了一定的进展，其重要性也得到了越来越多的认可，而这些改进也开辟了可以更准确地模拟和控制湍流的新方向。
湍流的理论与实验研究
湍流的理论与实验研究 湍流的理论与实验研究 湍流是流体力学界公认的难题，被认为是经典物理学中最后一个未被解决的问题。自然界和工程领域的绝大多数流动都是湍流，因此湍流研究具有重大意义。近年来，随着实验测量技术和数值模拟能力的不断增强，学术界对高雷诺数和高马赫数湍流有了许多新的认识。我国科学界也结合国家重大战略需求和学科发展前沿，分析国际上湍流研究的特点、现状和发展趋势，希望对湍流产生机制和流动本质进行深入研讨，加强与航空、航天、航海等相关单位和部门间的沟通与联系，推动湍流研究的发展。针对国内学科发展现状，尤其是实验研究相对薄弱的特点，国家自然科学基金委员会数理科学部、工程与材料科学部和政策局，于2014年3月20-21日在北京联合举办了第110期双清论坛，论坛主题为“湍流的理论与实验研究”。来自全国15个单位的近50位流体力学与工程领域的专家学者应邀出席。与会专家通过充分而深入的研讨，凝练了该领域的重大关键科学问题，探讨了前沿研究方向和科学基金资助战略。本期特刊登此次论坛学术综述。 一、湍流研究的重要意义 自1883年雷诺（Reynolds）发现湍流以来，湍流问题的研究一直困扰着众多学者。著名物理学家费曼曾说，湍流是经典物理学中最后一个未被解决的难题；2005年《科学》杂志在其创刊125周年公布的125个最具挑战性的科学问题中，其中至少两个问题与湍流相关。 在我们日常生活中，湍流无处不在。自然界和工程应用中遇到的流动，绝大部分是复杂的湍流问题。在自然界，从宇宙星系的时空演化，到星球内部的翻滚流动，从大气环流的全球运动，到江河湖泊的区域流动，都有湍流的身影。在工程领域，从陆地、海洋、空天等交通运载工具，到原子弹、氢弹、导弹、战斗机、舰船等国防武器的设计；从全球气象气候的预报，到地区水利工程的设计；从传统行业如叶轮机械、房桥建筑、油气管道，到新兴行业如能源化工、医疗器械、纳米器件的设计，都需要了解和利用湍流。因此，湍
湍流研究的现状和进展
湍流研究的现状和进展 湍流是一种影响有机物运动的流速，能提供有效的能量，使物体能够得到合理的分布。湍流的研究一直以来都受到了广泛的关注，从物理学的角度将其分成概率性湍流、压力性湍流，等等，并被广泛用于各种应用领域，如水动力学、热流体动力学、气动力学、结构力学、流体力学和边界层流体力学。 早在古代，里斯克就首先对湍流进行了研究，估计了湍流的经典方程，称为里斯克方程”。由于里斯克方程是非线性的，这使得它非常难以求解，因此长期以来，里斯克方程一直是湍流研究的难题。近几年，随着新一代概率求解和数值模拟技术的发展，里斯克方程问题得到有效解决，湍流研究取得了长足的进展。 伴随着里斯克方程的求解，微观湍流研究涉及到一系列流体力学和相关物理过程，如能量消耗、能量输送、热传输和结构变形等。本文总结了湍流研究的相关物理过程和理论模型，并通过实验和数值计算研究了它们的运动及能量转换的机制以及其对流体和物体的影响。 微观湍流研究的结果表明，湍流存在着多种复杂的运动机制，包括湍流边界层、涡量、螺旋涡等，它们能够有效地转换能量，并对流体和物体产生重要的影响。除了对湍流的机理进行研究之外，湍流的应用也在不断发展。在包括航空航天、海洋工程、过程工程在内的现代工程领域中，湍流研究有着重要的意义。目前，研究人员正在努力研究和改进湍流模型，更好地揭示其运动机制和影响范围，并贡献出更多的技术用于湍流应用。
通过实验和数值模拟，湍流理论发展得很快，在某些领域取得了显著的进展。目前，研究者正在努力研究复杂湍流现象，探讨其运动机制，以及长期观测和模拟分析的结果。大多数研究者认为，以复杂的湍流现象引发的突破性研究，有望在不远的将来改变湍流理论的风貌。 湍流的研究和应用一直存在着重要的前景，它的研究会对现代工程领域有重大的意义。因此，很多国家和科研机构一直在努力开发和改善湍流模型，以更好地提高湍流数值计算和实验测试的准确性，从而更有效地应用于各种领域。 至此，本文对湍流研究的现状和进展作了综合讨论，湍流研究将持续发展，并不断推动现代工程应用的进步。
湍流
在管路设计中，湍流比层流需要更高的泵输出功率。而在热交换器或者反应器设计中，湍流反而有利于热传递或者充分混合. 有效地描述湍流的性质，至今仍然是物理学中的一个重大难题。 湍流问题曾被称为“经典物理学最后的疑团”。因为它涉及到从微观到宏观许多时空尺度上的运动，它不仅和周围进行着能量交换，其内部也存在着各式各样的能量交换。有人估计：在一个线度为ι的湍流中，信息产生率为其中v为运动学粘滞系数，u为湍流中最大漩涡的速度。据此，即使是一杯咖啡被搅拌时也会产生1012比特/秒的信息。难怪对湍流的研究进展甚缓，至今还停留在半经验理论的水平上。早在阿基米德时代，人们就注意到了湍流现象。1883年雷诺（Reynolds）指出：当流体的雷诺数R大于某个临界值Rc 时，它就从层流向湍流转化。尔后，他又提出了著名的雷诺方程，试图用确定论的方法来解决这个问题，然而始终没有得到明确的结果。从本世纪30年代开始，泰勒（Taylor）、卡曼（Karman）、哥尔莫柯洛夫（Kolmogorov）、周培源等人创立了湍流的统计理论，把概率论的方法引进了这个领域。这不能不说是一个重大的进展，湍流中大漩涡套着中漩涡，中漩涡套着小漩涡，互相交叉互相混杂，这些运动着的漩涡数量之巨、种类之多、相互作用之繁决不是用几个甚至几十个确定论的方程可以描述的。这几十年来，湍流的统计理论有了很大的发展，但是对这个复杂的问题几乎没有引出什么定量的预测。随着科学的发展，电子计算机的诞生，在最近的实验和理论研究中都出现了有希望的新方向，研究的重点是一些能为理论研究所接受的比较简单的湍流发生机制，研究的对象也从流体力学扩充到物理、生物、化学、天文、地学等领域。有人认为，对这个问题的研究很可能导致物理学的又一次革命 湍流是对空间不规则和对时间无秩序的一种非线性、多尺度的流体运动，这种运动与不规则的流动边界一起产生了非常复杂的流动状态。多年来国内外的许多研究者从不同角度对它们的机理进行了研究，诸如：混沌、分形、重整化群的方法；切变湍流的拟序结构、湍流大涡模拟、直接数值模拟等。这些湍流理论，概念及机理清晰，但由于所解的偏微分方程组过于庞大、复杂，所以距解决工程中实际问题为期甚远。所以，工程上最常用的方法仍然是各种 湍流模型。 所谓湍流模式理论，就是依据湍流的理论知识、实验数据或直接数值模拟结果，对Reynolds 应力做出各种假设，即假设各种经验的和半经验的本构关系，从而使湍流的平均Reynolds 方程封闭。随着计算流体力学的发展，湍流模式理论也有了很大的进步，有了非常丰硕的成果。从对模式处理的出发点不同，可以将湍流模式理论分类成两大类：一类称为二阶矩封闭 模式，另一类称涡粘性封闭模式。 （1）雷诺应力模式2）半方程模式2）半方程模式）两方程模式 在20 世纪的60 年代，湍流研究有三大突出进展： 第一、切变湍流中的大尺度拟序结构的发现。Brown 和Roshko 在湍流混合层中观察到拟序的展向涡结构。在充分发展的湍流中，这种拟序结构是产生湍流脉动的关键机制。 第二、在确定性非线性微分方程中可以获得渐近的不规则解，即混沌现象。Lorenz 从截断的Navier-Stokes 方程中发现了在一定参数范围内的热对流过程中出现了异吸引子，它具有宽带频谱 的不规则运动。混沌现象的发现说明有结构的不规则运动可以是确定性非线性微分方程本身的性质。具体地说，牛顿流体的湍流运动是Navier-Stokes 方程在高Reynolds 数条件下的不
湍流——世纪难题
湍流——世纪难题 看一看我们生活的周围曾经熟悉的或曾经看见过的现象，比如天空的积云或者海浪的起伏翻滚，或许见到过的袅袅炊烟，或从香烟头升起的一缕轻烟在空气中扩散开来的奇妙图案，或者宣泄的瀑布激起的浪花和涡旋，千姿百态，在激流中飞逝......这些都和湍流有关，什么是湍流呢？ 烟羽 云
近地层的雾 1883年雷诺（O. Reynolds）的圆管水流实验演示了流体随着来流速度的增加由规则的流动转变为紊乱的流动，引起当时科学界的很大兴趣。进而，雷诺对具有粘性的流体的牛顿方程，也就是Navier （1827）-Stokes（1845）方程进行了平均处理（1889），意想不到的是比方程数目多出一个未知函数，出现了闭合问题，显示了求解N-S（Navier-Stokes）方程的极大困难，从而吸引了包括当时的著名力学家在内的许多研究人员的兴趣。当然，真正投身于其中的仍然是很少的几位流体力学大家。 当人们认识到N-S方程的非线性项不能用已知的数学方法求解，平均方法又遇到很难理解的闭合问题，这样，人们便开始寻求其他的途径。在傅里叶变换盛行的时期，统计模式和谱方法就成为研究湍流的主要数学工具，自然也成为解决实际问题的有效方法。不过，数学家们对于这种似乎“零敲碎打”的做法并不热衷。例如，他们想要知道是：如果N-S方程的定解条件是光滑的，那么，其解的光滑性是否永远得以保持，还是在有限时间之后出现奇性？研究湍流的一些科学
家，例如雷诺，泰勒（G. I. Taylor），冯.卡门(von Karman)和亨茨（J. O. Hinze）等人论及湍流时，无一例外地认为它是一种不规则的流动，自然也就重视它的统计平均特性。实际上，湍流基本方程（即雷诺方程）的封闭性问题已经耗去了许多力学家的精力和大量时光，各种平均方法陆续提出，包括一些参数化方法在内，可是，取得成就的自然是极少数研究者。 这一百多年来，随着科学技术的进步，探测方法的改进和完善，新的测量仪器的出现，特别是计算机科学的飞速发展，超级计算机的大量涌现，云计算的发展，使得各种数值模式得以实现，湍流研究也取得了可喜的进展。然而，我们对于湍流本质的了解，仍然是凭实验和观测，也就是凭经验的，只有为数不多的几种湍流预测是从理论上推导出来的。流体力学家把湍流定义为一个连续的不规则流动或者一个连续的不稳定状态。例如，在紊乱的空气或河流里，流体任何一点的运动速度和方向，是不断地和不规则地变化着，而流体却沿着固定的方向继续流动，湍流在平稳的层流中的发展演化是一个连续的过程，起初的一个或几个不稳定会激起湍流，它继续增强直到更高程度的不稳定，最后完全发展成湍流—发达湍流。也就是说，流体力学家想要知道的是一个平稳流动的失稳如何导致湍流的转捩，湍流完全形成后的动力学特性是什么，工程科学家则希望了解如何控制湍流而降低能耗和阻力。 数学家关注湍流的动因则是另一回事，他们的心愿是直接面对N-S方程，获得完美漂亮的解析解，那种依靠计算机程序求解的问题，例如四色问题，1976年K. I. 阿佩尔和W.哈肯用电子计算机找到了一个由1936个可约构型组成的不可免完备集，在美国数学会通报上宣布证明了四色问题。对于这样的结果，数学家即使认可，也总感到美中不足，对于数学家追求的标准而言，相差太远了。正因为如此，1998年由商人兰顿·克雷(Landon T. Clay，资助者)和哈佛大学数学家亚瑟·杰夫(Arthur Jaffe)创立的克雷数学研究所(Clay Mathematics Institute,
大气边界层湍流结构与动力学机制的研究进展
大气边界层湍流结构与动力学机制的研究进 展 大气边界层是地球表面与大气柱之间的交界层，对于气象学、气候学、工程学以及环境科学等领域的研究都具有重要意义。湍流是大气边界层中普遍存在的现象，对大气运动和物质交换起着至关重要的作用。本文将介绍大气边界层湍流结构与动力学机制的研究进展。 1. 引言 大气边界层湍流研究有助于我们更好地理解大气运动和物质交换的过程，对于预测气象、气候变化以及评估人类活动对环境的影响具有重要意义。 2. 大气边界层湍流结构的观测研究 为了深入了解大气边界层湍流的结构，科学家们进行了大量的观测研究。其中，地面观测和飞机观测是常用的手段。地面观测利用气象站、气象雷达等设备采集数据，可以得到湍流的垂直分布和时空变化特征。而飞机观测则通过装载在飞机上的测量仪器，如风速仪、温度计等，获取湍流的水平分布和结构信息。 3. 大气边界层湍流的动力学机制 为了揭示大气边界层湍流的动力学机制，科学家们提出了多种理论和模型。其中，K-ε模型、雷诺应力模型和Large-Eddy Simulation （LES）模型等是常用的模拟大气边界层湍流的方法。这些模型基于湍流的统计性质，通过求解湍流运输方程组来描述湍流的演化过程。
4. 大气边界层湍流结构的数值模拟研究 除了观测研究外，数值模拟也是了解大气边界层湍流结构的重要手段。基于Navier-Stokes方程的数值模拟方法可以模拟大气边界层湍流 的细节特征。通过数值模拟，科学家们能够获得大气边界层湍流的三 维结构、湍流能谱以及涡旋的拓扑结构等信息。 5. 大气边界层湍流结构与气象、气候的关系 大气边界层湍流结构与气象、气候之间存在着密切联系。湍流对大 气运动的混合和输运起着重要作用，它对大气中的能量、质量和动量 的传递具有重要影响。湍流的参数化方案在气象和气候模式中起着关 键作用，对预测天气和气候变化具有重要意义。 6. 大气边界层湍流研究的挑战与展望 尽管大气边界层湍流研究取得了一系列重要成果，但仍面临一些挑战。首先，湍流的观测和模拟仍然存在一定的误差和不确定性。其次，湍流的微观结构和宏观演化机制仍需要更深入地研究。未来的研究可 以结合新的观测技术和模拟方法，深入探索大气边界层湍流的特征和 机制。 7. 结论 大气边界层湍流的研究对于深入理解大气运动和物质交换过程具有 重要意义。通过地面观测、飞机观测、数值模拟以及湍流参数化方案 的研究，我们可以揭示湍流的结构和动力学机制，并将其应用于气象、
湍流研究的现状和进展
湍流研究的现状和进展 湍流是流体动力学中最重要的一个研究领域，它涉及到流体中的可观测量、流体的流动性质和内部结构的描述，以及它们之间的相互作用。湍流研究的目的是研究它在实际工程应用中的数值模拟和传热物理过程，及其对流体动力学行为的解释。这项研究可以说是一种交叉学科，既涉及数学、计算机科学，也涉及物理学和工程学的知识。 湍流研究一直是流体动力学领域的核心内容，它涉及到流体中的物理现象、运动规律、参数计算等。近几十年来，数学物理和电子计算机计算机技术的发展，促使湍流研究取得了重大进展。湍流研究现属于多学科交叉学科，有多方面的知识和技术需要参与。其中，建立了有效的湍流模型和有效的计算方法，是湍流研究的重要内容。 一般而言，湍流模型可以分为两种：宏观层面的湍流模型，以及微观层面的湍流模型。宏观层面的湍流模型，通常是建立并应用于实际流体力学流体系统的模型，在宏观层面，它从湍流数据和其他流体数据中，提取并加以利用有效的流体物理过程，建立有效的模型，对流体力学系统进行定量预测。而微观层面的湍流模型，主要是考虑湍流的物理本质，以及湍流流动问题中的尺度效应等，提出及建立有效的湍流模型，用以模拟湍流的流动行为和物理现象。 湍流计算方法也可以分为宏观和微观两种。宏观级别的湍流计算方法，通常是基于湍流模型，使用不同的数值方法，求解湍流流动问题，比如有限差分法、有限元法、近似离散法和控制面法等。而微观级别的计算方法，包括柔性粒子方法和柔性网格方法，可以用来处理
湍流流动问题，但这类计算方法比较复杂，耗时较多。 在近几年，随着计算机性能的不断提高，湍流的研究取得了长足的进步，微观模型在研究中已经得到了越来越多的关注。比如，粒子网格法和柔性网格法在多态湍流的研究中的应用已经获得了较好的 效果。在有限元法的应用中，它可以用来数值模拟湍流流动物理过程，以及多模态湍流行为。此外，随着计算机科学和数学物理学科的发展，新型计算方法，如多子法和新型网格技术，也可以用来数值模拟湍流流动行为。 总的来说，湍流研究已经取得了长足的进步，它不仅是流体动力学的重要内容，而且在工程应用中也得到了广泛的应用，特别是在航空航天等领域。湍流研究面临着宏观模型和微观模型的模拟能力差距，以及新型计算方法和数学物理技术的改进和开发等方面的挑战，因此，还有很大的空间可以深入开展湍流研究。 经过几十年的发展，湍流研究已经取得了重大进展，其在流体动力学和工程应用领域的重要性越来越突出，而宏观模型和微观模型的模拟能力，一直是湍流研究的一个重要课题，而新型计算方法和数学物理技术的发展，也将进一步推动湍流研究的发展。届时，它将会在流体动力学及其工程应用领域发挥更大的作用，发挥更大的价值。
托卡马克等离子体湍流的实验研究
托卡马克等离子体湍流的实验研究 介绍 在等离子体物理学中，湍流是一个重要的研究课题。本文将探讨托卡马克等离子体湍流的实验研究，首先介绍湍流的基本概念和特性，然后讨论湍流在托卡马克等离子体中的影响以及当前的实验研究进展。 湍流的基本概念和特性 湍流是流体运动中的一种不规则、混乱的状态。与稳定的层流相比，湍流具有以下几个主要特点： 1. 高度非线性：湍流中存在着非线性相互作用，导致流体运动的不可预测性。 2. 随机性：湍流运动具有随机性，无法精确地预测其演化过程和状态。 3. 多尺度性：湍流结构存在多个尺度，从宏观到微观都有不同的湍流结构。 湍流在托卡马克等离子体中的影响 托卡马克是一种用于研究核聚变的装置，其中的等离子体湍流对于核聚变反应的稳定性和效率起着重要作用。湍流在托卡马克等离子体中的影响主要体现在以下几个方面： 1. 热输运 湍流可以显著增加等离子体的热输运。等离子体中的湍流运动可以导致热量在空间中的不均匀分布，使得等离子体的中心温度较低。这对于核聚变等离子体的稳定性和热效率都是不利的。 2. 粒子输运 湍流还会增加等离子体中粒子的输运。湍流运动会导致粒子在等离子体中的不规则扩散，使得粒子损失增加。这对于核聚变反应的可控性和效率带来了挑战。
3. 磁约束 在托卡马克中，磁场被用于约束等离子体。然而，湍流运动可以打破磁场的约束，使得等离子体发生不稳定的运动。这对于核聚变反应的可控性和稳定性造成了影响。 当前的实验研究进展 针对托卡马克中的等离子体湍流问题，目前已经进行了大量的实验研究。下面将介绍几个重要的研究进展： 1. 实验观测 研究人员通过各种实验方法，如激光诊断技术、高速摄影等，对托卡马克中的湍流行为进行观测。这些观测结果为湍流的理论研究提供了重要的实验数据。 2. 数值模拟 利用计算流体动力学方法，研究人员通过数值模拟等离子体的湍流行为。这些数值模拟结果可以帮助揭示湍流产生机制，为进一步优化托卡马克等离子体提供理论指导。 3. 湍流控制 为了克服湍流对托卡马克等离子体的负面影响，研究人员还开展了湍流控制的实验研究。通过施加不同的外部力场或采用优化的磁场配置，可以部分抑制和控制湍流的发展，提高等离子体的稳定性。 4. 理论研究 除了实验研究，湍流的理论研究也在不断深入。研究人员正努力发展更精确的湍流模型和理论，以便更好地描述和解释托卡马克等离子体中的湍流行为。 结论 托卡马克等离子体湍流的实验研究在核聚变领域具有重要意义。通过观测、数值模拟、湍流控制和理论研究等多种手段，研究人员正努力揭示湍流产生和发展的机制，以期进一步提高托卡马克等离子体的稳定性和效率。这些研究成果将对未来核聚变能源的实现具有重要指导意义。
大气边界层中的湍流与混合过程研究
大气边界层中的湍流与混合过程研究大气边界层是指地球表面与大气中最接近地面的一层空间。在这一层中，湍流和混合过程对大气的运动和物质交换起着重要作用。本文将探讨大气边界层中湍流和混合过程的研究进展。 一、湍流现象及其特点 湍流是指流体中的各种无规则、复杂、混乱的运动现象。大气边界层中存在着各种尺度的湍流，从微观的小尺度湍流到宏观的大尺度湍流，都对大气的运动和物质交换起着重要作用。湍流的主要特点是不规则、非线性、随机性和多尺度。 二、湍流理论的研究进展 随着计算机技术和数值模拟方法的发展，湍流理论取得了很大的进展。目前，湍流理论的主要方法包括直接数值模拟、大涡模拟和雷诺平均纳维-斯托克斯方程等。通过这些方法，研究人员能够更好地理解湍流的形成机制和发展规律。 三、湍流对大气运动的影响 湍流在大气中的运动对大气的能量传输、物质混合和边界层高度的发展等方面起着重要作用。湍流脉动的存在使得大气运动更加复杂，产生了风速垂直剖面的不规则性和高低波动。此外，湍流还影响了大气中的空气质量和颗粒物的输送。 四、湍流与气候变化的关系
湍流对气候变化有着重要的影响。湍流的形成和发展受到地表热源和地形的影响，而气候变化又会改变地表温度和地形，从而影响湍流的形成和发展。因此，湍流与气候变化之间存在着复杂的相互关系。 五、湍流的观测与测量方法 湍流的观测与测量是湍流研究的基础。目前常用的湍流观测与测量方法包括风廓线雷达、气象声波探测器和气象探空等。这些方法能够提供湍流的相关参数，如湍流动能、湍流强度和湍流时间尺度等。 六、大气边界层中的混合过程 在大气边界层中，湍流是驱动混合过程的主要机制。混合过程包括热量、水汽和动量的垂直混合，对大气的能量平衡和湿度分布起着至关重要的作用。湍流的存在使得边界层中的气溶胶和气体能够迅速混合并向上输送。 七、湍流模拟与预测 湍流模拟与预测是湍流研究的重要方向。通过数值模拟方法，可以模拟和预测大气边界层中的湍流和混合过程，为天气预报和气候模拟提供基础数据。这对于改善气象预报和气候预测的准确性具有重要意义。 八、湍流研究的应用前景 湍流研究在气象学、大气环境科学和工程学等领域具有广泛的应用前景。通过深入研究大气边界层中的湍流和混合过程，可以提高天气预报的准确性、改善空气质量预测和优化风电场的布局等。
气体流动中的湍流特性研究
气体流动中的湍流特性研究气体流动是自然界中一种普遍存在的现象，在很多领域都有着重要的应用价值。湍流是气体流动中常见的流态，其特性与稳定流动存在显著差异。本文将探讨气体流动中的湍流特性及其研究方向。 一、湍流的基本特性 湍流是一种混乱不规则的流动状态，表现出无规则的变化和高度的不确定性。其特点主要包括强烈的涡旋运动、流向的紊乱、速度和压力的不稳定性等。湍流在气体流动中具有广泛的存在性，从天气系统到管道内部的气体传输，几乎都可观察到湍流现象。 二、湍流的数学描述 湍流的数学描述是研究湍流特性的基础。流体动力学方程是描述流动的基本方程，包括连续性方程、动量方程和能量方程。由于湍流的复杂性，直接求解这些方程并不现实。因此，研究者采用了不同的数值模拟方法，如雷诺平均Navier-Stokes方程（RANS）、大涡模拟（LES）和直接数值模拟（DNS）等，来描述湍流现象。 三、湍流模拟方法 湍流模拟方法是湍流研究中的重要工具。通过数值模拟，可以得到湍流中各个物理量的数值解，进而深入了解湍流的特性。常用的湍流模拟方法包括雷诺平均Navier-Stokes方程模拟、湍流能量方程模拟、湍流结构模拟等。这些方法不仅能够捕捉湍流现象的主要特征，还可以分析湍流的统计特性和流场结构。
四、湍流特性的实验研究 实验研究是湍流研究中不可或缺的手段。通过实验可以直接观测和测量湍流流动的各种参数，如湍流特征的统计规律、湍流能量谱、湍流结构等。常用的实验方法包括热线和冷线测速技术、激光多普勒测速技术和烟雾轨迹可视化技术等。这些实验手段为湍流特性的研究提供了重要的数据和分析依据。 五、湍流的应用领域 湍流在工程和科学领域具有广泛的应用价值。例如，在空气动力学中，湍流特性的研究对于改进飞机的设计和气动性能的优化具有重要意义。此外，湍流的研究还能够帮助理解大气层中的气象现象、改善能源的利用效率、提高化工过程中的传热和传质性能等。 六、湍流特性的挑战与前景 湍流的复杂性使得湍流特性的研究面临着诸多挑战，如流场的不稳定性、湍流能量传递机制的理解等。然而，湍流研究一直是流体力学领域的热门研究方向，近年来涌现出了许多新的研究成果。随着计算能力的提高和测量技术的进步，湍流特性的研究将在更多领域取得突破性进展。 总结： 本文通过对气体流动中湍流特性的研究进行了探讨，从湍流的基本特性、数学描述、模拟方法、实验研究、应用领域和挑战与前景等方面进行了阐述。湍流特性的研究在科学研究和工程应用中具有重要价
流体动力学中的湍流流动研究
流体动力学中的湍流流动研究 摘要 湍流是指流体在运动中产生的无规则、混乱的流动现象。在流体动力学中，湍流是一个复杂而重要的研究领域。本文将讨论湍流流动的一些基本概念、特征和数学模型，以及目前在湍流流动研究中取得的一些重要进展和应用。 1. 引言 湍流是自然界中常见的流动现象，涉及到的领域广泛，包括大气科学、地球物理学、工程学等。湍流的研究具有重要的理论和实际意义，对于提高流体动力学的理论水平和应用效果具有重要影响。在工程领域，湍流的存在常常会导致流体的能量损失、阻力增大、传热效果差等问题。因此，深入研究湍流流动现象，探索湍流流动的规律和机制，对于解决这些问题具有重要意义。 2. 湍流流动的基本概念 2.1 流动的稳定性与不稳定性 流动的稳定性是指流体在给定的条件下，其运动状态是否能够保持不变。对于稳定的流动，其特点是流线清晰、流速均匀。而湍流流动则是一种不稳定的流动状态，其中流速和流线均呈现不规则、混乱的特征。 2.2 湍流的特征 湍流流动的主要特征包括流速的非均匀性、涡旋的出现和运动以及能量的级联转移。在湍流流动中，由于流速随着位置和时间的变化而变化，使得流线的特征十分复杂。此外，湍流流动还常常伴随着分层、涡旋等各种不规则运动现象。 2.3 湍流的数学模型 湍流的数学模型是研究湍流流动的理论基础，通过数学方法对湍流流动进行描述和预测。目前常用的湍流模型包括雷诺平均应力模型(RANS)、大涡模拟(LES)和直接数值模拟(DNS)等。 3. 湍流流动的数值模拟 湍流流动的数值模拟是湍流流动研究中的重要手段之一，可以通过数学模型和计算方法对湍流流动进行模拟和预测。数值模拟的核心问题是如何有效地计算湍流流动的各个参数和特征。
流体流动中的湍流弛豫时间研究
流体流动中的湍流弛豫时间研究 引言 流体是一种非常常见的物质，在自然界和工业生产中都起着重要的作用。流体 的流动特性对于许多工程和科学问题的研究具有重要意义。其中，湍流是流体流动中最为复杂和困难的问题之一。湍流的出现常常伴随着复杂的流动模式，这使得湍流的研究成为科学家们一直以来的挑战。 湍流弛豫时间是湍流研究中的一个重要概念。它描述了湍流流动中的能量耗散 过程，对于湍流现象的理解和控制具有重要的意义。本文将重点研究流体流动中的湍流弛豫时间，并探讨其对湍流流动行为的影响，为湍流研究提供新的思路和方法。 湍流的基本特性 湍流是指流体流动中的一种混乱而不规则的状态。相比于层流流动，湍流流动 表现出波动幅度更大、流速方向更混乱的特点。湍流的出现往往伴随着能量的耗散和能量的重新分配过程，这使得湍流具有一种自维持的能力。 湍流的基本特性可以通过流体的速度分布和涡旋结构来揭示。在湍流流动中， 流体的速度分布呈现出不规则的形态，存在着大小不同的涡旋结构。这些涡旋结构的产生与湍流中的流体动量交换密切相关，通过分析涡旋的分布和运动规律，可以研究湍流流动的特性和行为。 湍流的产生有多种原因，包括流体的速度梯度、湍流中的涡旋相互作用等。在 具体的流体流动问题中，湍流的产生往往是复杂的多因素综合作用的结果。因此，对湍流的研究需要深入理解湍流的基本特性和产生机制。 湍流弛豫时间的概念 湍流弛豫时间可以看作是湍流能量耗散的时间尺度。在湍流流动中，湍流能量 以某种形式存在，并随着时间的推移逐渐耗散。湍流弛豫时间描述了湍流能量耗散的速率和过程，反映了湍流流动的动态特性。 湍流弛豫时间的具体定义与湍流的能量耗散存在密切的关系。湍流能量耗散可 以通过湍流流动的涡旋结构和流体动量交换来理解。涡旋结构的生成和消亡是湍流能量耗散的关键过程之一，而流体动量交换则是湍流能量转移和重新分配的重要途径。 湍流弛豫时间可以通过实验和数值模拟等方法来进行研究。实验方法包括测量 湍流流动的速度分布和涡旋结构，通过分析涡旋的运动规律和能量耗散过程来确定湍流弛豫时间。数值模拟方法则通过建立湍流流动的数学模型，通过求解湍流运动方程，分析流体的速度和压力分布，进而得到湍流弛豫时间的估计。
湍流的研究进展论文
湍流的研究进展 丁立新 （青岛科技大学） 摘要本文重点就湍流的理论研究进展作一阐述，从湍流的相干结构、表征及发展由来，到上世纪末湍流研究进展的雷诺方程，本世纪湍流的统计理论和半经验理论发展，湍流的模式理论，湍流的高级数值模拟分别论述，并为主要的工程应用做简要的介绍。 关键词湍流理论研究工程应用 Research process of turbulence Dinglixin Qingdao University of Science & technology Abstract This article focuses on the turbulence of research process as elaborated. From coherent structure of turbulence, characterization and development of turbulence to Reynolds equation about research process of turbulence on the end of the century, the development of semi-empirical theory and statistical theory of turbulence of this century, mode theory of turbulence, advanced numerical simulation of turbulence. Finally, brief description of turbulence industrial applications is suggested. Keywords Turbulence, Theoretical research of turbulence, Engineering applications 湍流是自然界和工程中最常出现的流动形态，湍流的出现将使动量、质量、能量的输送速率极大地加快，一方面造成能量消耗加快，污染物加快扩散等严重消极