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
后果，另一方面也起到加快化学反应速度，提高热交换速率等积极作用，因此湍流的研究发展和突破将会在国防和经济方面起到重要的作用。湍流主要研究两个方面的内容，一是揭示湍流产生的原因，二是研究已经形成的湍流运动的规律，以便解决工程实际问题。但自英国物理学家雷诺提出湍流这一基本流动形态以来，已有一百多年的历史，因其运动的复杂性，其基本机理和规律至今还没有完全弄清楚。因此回顾一下湍流研究取得的进展对于进一步揭示这一十分复杂的流动现象是有益的。
1湍流的相干结构、原因及表征
⑴湍流是局部速度、压力等力学量在时间和空间中发生不规则脉动的流体流动。其基本特征是不规则性或随机性，不可预测，用随机方法；扩散性，有比分子运动强的多的扩散能力；大雷诺数；涡旋，以高频扰动涡为特征的有旋的三维运动；耗散性，因分子的黏性作用而耗散能量，需外部提供能量维持湍流。。
流体做湍流流动时，由于质点的运动是随机的，在流体内部将产生各种尺度的旋涡（或称微团）。这些旋涡在各个方向上做高频脉动。因此，流体由层流转变为湍流，需具备两个条件①旋涡的形成；②旋涡形成后脱离原来的流层或流速。旋涡的形成主要取决于两点因素，其一是流体的黏性，由于黏性的作用具有不同流速的相邻流体层之间将产生剪切力。其二是流层的波动，流层凸起的地方将因微小流速截面的减小而使流速增大；反之，在凹入的地方，将因微小流速截面的增大而使流速减小。依伯努利方程，流速的增大将引起压力的减小，而流速的减小将引起压力的增大，最终在横向压力和剪应力的综合作用下，促成旋涡的形成。
进一步分析旋涡形成以后脱离原流层的问题，由于旋涡的存在，旋涡附近各流层的速度分布将有所改变。若将旋涡类似于旋转柱体，则必有Zhoukowski升力施加于旋涡推动它进入相邻的流层，这时流动的内部结构就会完全改观，根据流体流动的连续性，各流层之间必然会产生旋涡的交换，这种旋涡的不断交换，就行成了通常所说的湍流。需
⑵表征
㈠雷诺自1895年首先提出湍流瞬时运动可分解为时均和脉动两部分，即
其中是相应力学量的时间平均量，是脉动值。
㈡湍流强度是湍流强度涨落标准差和平均速度的比值，是衡量湍流强度的相对指标。大气和水体中污染物湍流的扩散参数和湍流强度呈一定的正比例关系。也是描述风速随时间和空间变化的程度，反映脉动风速的相对强度，是描述大气湍流运动特征的最重要的特征量。
㈢湍动标度。
2雷诺运动方程
雷诺曾以时均量和脉动量之和来代替不可压缩流体的连续性方程和Navier-Stokes方程中的瞬时量，然后对各方程取时间平均，最终导出可应用于不可压缩流体湍流运动的特定方程组。
但是方程组并不封闭，多出六个未知的湍应力分量。为使方程组封闭，必须在湍应力和平均流动元素之间建立补充关系式。半个多世纪以来，人们从统计理论和各种半经验理论出发作了很多尝试。
3湍流统计理论和半经验理论
30-40 年代是湍流统计理论发展的时期，建立了均匀各项同性湍流的Karman-Howarch方程和Kolmogorov局部各向同性理论。均匀各项同性湍流的涡旋结构理论，从Navier-Stokes方程出发，引进了准相似性条件，认为均匀各向同性湍流流场在衰变过程中具有相似性，相似性尺度由表征湍流强弱的湍流脉动速度均方差q以及与特征涡旋尺度具有密切关系的湍流广义Taylor微尺度所决定。在对均匀各项同性湍流场计算中，假定湍流脉动在空间呈周期性。王晓宏，黄永念，周培源.不可压缩均匀各向同性湍流的统计理论【J】.中国科学（A辑）1993，23：939-947.
湍流的半经验理论是通过对湍流的某些机理做出假设并结合实验结果建立应力和时均速度之间的关系。从而建立起描述湍流运动的的封闭方程组，即方程组的变量个数等于方程数。着重介绍普朗混合长理论。
普朗特三点假设为：①在湍流运动中，流体微团的脉动和分子的随机运动相似，即在一定距离内脉动的流体微团将不和其他流体微团相碰，因而可以保持自己的动量不变。只是在走了L的距离后才和那里的流体团掺混，改变了自身的动量。
L称为普朗特混合长。②假设，③假设。最终得出
实验证实L基本上与流速无关，又因为L有着长度的量纲，因此，在某些情况下，假定L主要随流道位置变化是合理的，混合长比涡流运动粘度易于估计。徐插入课本
4 湍流的模式理论
40-60年代里以解决工程问题的各类模式理论为主体。一些著名的计算流体力学专家R mac cormack,W.C.Reynolds等（1983）插入预测，从计算机的能力来说，进行复杂湍模式的数值计算是可能的，但是需要合理准确的模式，因此湍流模式理论仍是当前湍流研究的主要方向之一。模式理论把流体微团的瞬态量看作时间平均值和脉动值的叠加，从而把瞬时的N-S方程变换为反应流场平均运动尺度的雷诺方程，再引入一系列模型假设，建立一组描写湍流平均量的封闭方程组。对时均后的雷诺方程中出现得雷诺应力进行的模拟中，形成了众多湍流模型。湍流模式理论的目标是准确预测实际湍流的平均运动。
近代模式理论是建立在统计流体力学基础上。20世纪40年代，Kolmogorov和Prantl通过求解微分方程确定湍流黏性系数，以此来弥补混合长假设的局限性，这样产生了单方程的湍流模型，但是单方程模型中要确定长度比尺，是不易解决的问题，且局限用于剪力层流动计算。1974年，Spalding和Lannder归纳了不同学者提出的反应湍流尺度的参数，通过微分方程建立了双方程模型来求解湍动能和耗散率的输运方程，并建立了它们与湍流黏性之间的关系。目前可以成功的应用于二维及三维回流流动，但对于低雷诺数的流动，预测效果不理想。为此，1986年，Yakhot V和Prszag S依据模糊数学理论，修正了方程，建立了RNK模型，，提高了模型在旋流和大曲率情况下的计算精度。另外，Shih T等人在1995年采用新的模化方法获得耗散率的输运方程，建立了Realizable模型，应用于较高主流切率和较大曲率的流动，得到较好的结果。后来，Rodi等人提出了代数应力模型，将雷诺应力输运的微分方程简化为代数方程，在与k方程和方程连立求解，这样大大减少了计算时间，但类似于模型，在RSM模型中同样存在模式化，特别是对耗散率和压力-应变项的模化的准确度决定着RSM模型的精度。插入张志伟，刘建军.各种湍流模型在Fluent 中的应用【J】.实用技术（河北水利），2008，26.
5湍流数值模拟
由于湍流瞬时运动服从N-S方程，而N-S方程本身就是封闭的，所以很容易产生直接用电子计算机数值求解完整的N-S方程，对湍流的瞬时运动进行直接的数值模拟。但是目前国际上正在做的湍流数值模拟还只限于很低的雷诺数和几何边界条件很简单的问题。而实际的湍流运动通常都发生在高雷诺数下，边界的情况也较复杂，估计现在世界上最大最快的的计算机用直接数值模拟来解决工程中复杂湍流问题的要求，还差三个数量级，因此我们只能部分放弃直接求解N-S方程的企图，而争取用现有的计算机来做湍流的高级数值模拟。插入王振东.湍流研究的进展【J】.物理通报1992,12:1-4.这主要是大涡模拟、雷诺平均数值模拟和直接数值模拟，他们都是近二十多年才发展起来的。
5.1直接数值模拟（DNS）
DNS依据非稳态的N-S方程对湍流进行直接模拟，计算包括脉动在内的湍流所有瞬时运动量在三维空间中的演变。用非稳态的N-S方程对湍流进行直接计算，控制方程以张量形式给出：
直接数值模拟的方法为谱方法或伪谱方法，粗略的说就是讲各种未知函数对空间变量展开；差分法，其基本思想是利用离散点上函数值的线型组合来逼近离散点上的导数值。它的优点是：
㈠有精确数值模拟湍流的方法，因而可以获得湍流场的全部信息，而实验测量则不可能完全实现，
㈡由于直接对N-S方程模拟，故不存在封闭性问题，原则上可以求解所有湍流问题。
㈢据Kim,Moin & Moser 研究插入是勋刚.湍流【M】.天津：天津大学出版社，2004.即使模拟雷诺数仅为3300的槽流，所用的网点数N就约达到2000000，在向量计算机上进行了250小时，所以，在现有的计算机能力限制下，只能模拟计算机中低雷诺数和简单几何边界湍流运动。应用领域只要是湍流的探索性基础研究。
5.2雷诺平均模拟（RANS）
RANS是应用湍流统计理论，将非稳态的N-S方程对时间做平均，求解工程中需要的时均量。该法是工程中常用的复杂湍流数值模拟方法。徐插入崔桂香，徐春晓，张兆顺.湍流大涡数值模拟进展【J】.空气动力学学报，2004,22（2）：121-129. 雷诺平均模拟原理是先将湍流中物理量分成扰动量和平均量，在对控制方程作时间平均，同时采用湍流模型仿真湍流的效应，此法降低了计算量但结果受湍流模型的影响很大。
5.3大涡数值模拟（LES）
LES是包括脉动在内的湍流瞬时运动量通过某种滤波方法分解成大尺度运动和小尺度运动两部分。大尺度要通过数值求解运动微分方程直接计算出来，小尺度运动对大尺度运动的影响将在运动方程中表现为类似于雷诺应力一样的应力项，该应力称为亚格子雷诺应力，他们将通过建立模型来模拟，实现大涡数值模拟，首先要把小尺度脉动过滤掉，然后再导出大尺度运动的控制方程和小尺度运动的封闭方程。对于LES及早用于工程计算是很重要的，如：J.Kleiser 插入的计算结果。
亚格子模式是大涡模拟成功的关键。常用的亚格子模式有一下几种徐插入谭羽非.大涡模拟及其在室内空气流动换热中的应用【J】.暖通空调，2003,33（1）：99-102：Smagorinsky模式，动态亚格子模式，相似性模式，混合模式，其它亚格子模式。许插入路明，孙西欢，李彦军，范志高.湍流数值模拟方法及其特点分析【J】.河北建筑科学学院学报，2006,23（2）；107-110.
6 湍流工程应用
5.1 卷吸、混合、燃烧与化学反应，实验已证明，通过适当的外激励或改变边界几何形状就可显著地增强射流的卷吸与混合，对于卷吸与混合，主要是由于界面附近大尺度涡的诱导作用，使界面起波纹，进而使界面两边的流体分别从两端进入大涡，互相卷绕成花卷状，形成非常大的界面面积，最后通过界面上的分子扩散完成混合过程。
6.2 降低气动噪声。通过抑制或破坏想干结构可以显著地降低射流辐射的噪声水平。
6.3 大气湍流在飞机颠簸，激光通信系统，远红外激光主动探测等方面都起着极大作用，对于湍流的研究有助于通信技术的研究。
7 总结
上面概要说明了湍流研究在不同时期都开始有新的突破，在应用上有新的进展。虽然理论研究落后于实践，但湍流控制的广泛应用，反过来却推动了湍流理论研究。我们有理由相信湍流研究将取得重大的进展和突破，并将在国防和经济建设的许多领域引起重大的技术进步。
参考文献
1 陈涛，张国亮.化工传递过程基础【M】.北京：化学工业出版社，2011.
2 王晓宏，黄永念，周培源.不可压缩均匀各向同性湍流的统计理论【J】.中国科学（A辑）1993，23：939-947.
3 MacCormack,R,Reynolds,W.C.etal, The Influence of CFD on Experimental Aerospace Facilities--A fifteen years projection, (1983).
4 张志伟，刘建军.各种湍流模型在Fluent中的应用【J】.实用技术（河北水利），2008，26.
5 王振东.湍流研究的进展【J】.物理通报1992,12:1-4.
6 是勋刚.湍流【M】.天津：天津大学出版社，2004.
7 Gilbert, N, Kleiser ,J, Proc.ICFM’87,(1989),67.
8 崔桂香，徐春晓，张兆顺.湍流大涡数值模拟进展【J】.空气动力学学报，2004,22（2）：121-129.
9 谭羽非.大涡模拟及其在室内空气流动换热中的应用【J】.暖通空调，2003,33（1）：99-102.
10 路明，孙西欢，李彦军，范志高.湍流数值模拟方法及其特点分析【J】.河北建筑科学学院学报，2006,23（2）；107-110
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。
大气边界层中湍流特征与发展机制分析
大气边界层中湍流特征与发展机制分析 大气边界层是地球表面与其上方大气层之间的一个重要区域，具有 湍流运动的特征。湍流在大气边界层中起着至关重要的作用，对于大 气的混合、传输和扩散等过程有着重要影响。因此，分析大气边界层 中湍流的特征和发展机制对于理解大气环流和气候变化具有重要意义。 一、湍流特征 大气边界层中湍流的特征可以归纳为三个方面：尺度特征、速度分 布和湍流强度。 1. 尺度特征：湍流存在不同尺度的涡旋结构。这些结构包括小尺度 的涡旋，如颗粒湍流和微观湍流，以及大尺度的涡旋，如冷锋、暖锋 和中尺度风暴。这些涡旋结构在大气边界层中不断形成和消散，共同 维持着湍流交换的平衡。 2. 速度分布：湍流速度在空间和时间上都表现出一定的不规则性。 大气边界层中的湍流速度呈现出高频的变化，即使在相对平静的天气 中也会有剧烈的湍流运动。湍流速度的分布也受到地表粗糙度和大气 稳定性等因素的影响。 3. 湍流强度：湍流强度是湍流能量的一种度量，可以表示为湍流能 量的密度。湍流强度在大气边界层中也呈现出不规则的分布，不同地 点和时间的湍流强度差异较大。湍流强度与地表风速的关系密切，风 速越大，湍流强度越高。 二、湍流发展机制
大气边界层中湍流的发展机制与其宏观环流结构、地表特征和大气稳定度等因素密切相关。主要的湍流发展机制包括湍流的产生、湍流的传输和湍流的耗散。 1. 湍流的产生：湍流的产生源于大气边界层中的不稳定性过程，如辐射和强制冷却引起的对流等。这些不稳定性过程使得空气形成上升气流和下沉气流，引发湍流运动。 2. 湍流的传输：湍流在大气边界层中起着传输和混合的重要作用。湍流运动使得大气中的物质和能量得以快速传输和扩散，从而影响着大气的温度、湿度和污染物的分布。 3. 湍流的耗散：湍流运动在大气边界层中会逐渐耗散。这是由于湍流产生的能量转化为内能和微观颗粒的动能，同时受到粘性阻力的作用。湍流的耗散过程对于维持湍流运动的平衡有着关键作用。 三、湍流研究方法 为了深入研究大气边界层中湍流的特征和发展机制，科学家们采用了多种研究方法。 1. 地面观测站：通过在地面上建立观测站，利用各种气象仪器和传感器对大气边界层中的湍流进行观测和监测。地面观测站可以提供湍流的速度、风向、温度和湿度等参数，从而了解湍流的特征和演化规律。
大气湍流模拟与方法研究
大气湍流模拟与方法研究 大气湍流是指在自然界中，由于空气分子的热运动和流体不均匀性 造成的气流乱流现象。它对于气象学、环境科学等领域具有重要意义。为了更好地理解和预测大气湍流，科研人员们进行了大量的模拟与方 法研究。本文将介绍大气湍流模拟的方法和相关研究进展。 一、大气湍流模拟方法 1. 直接数值模拟（DNS） 直接数值模拟是指通过求解流体动力学方程，对湍流进行精确的数 值模拟。这种方法能够提供精确的湍流数据，但由于计算量巨大，目 前只适用于小尺度的湍流问题。 2. 大涡模拟（LES） 大涡模拟是指模拟并求解大尺度涡旋，而忽略小尺度湍流的准确表示。它通过将湍流分解成大涡和小涡来减少计算量，更适用于中等和 大尺度的湍流研究。 3. 湍流统计模拟（TST） 湍流统计模拟是一种基于概率和统计的模拟方法，通过对湍流的统 计特性进行建模，推导出湍流的各种物理参量。虽然它无法提供湍流 的详细结构信息，但能够在计算成本较低的情况下估计湍流的平均性质。 二、大气湍流模拟方法的应用
1. 大气环流模拟 大气环流是指大尺度的大气运动模式，是全球气候变化和天气预报的重要基础。通过模拟大气环流中的湍流现象，可以更准确地预测天气变化和气候变化趋势。 2. 污染物扩散模拟 污染物扩散是大气科学中的重要研究内容。将湍流模拟方法应用于污染物扩散模拟中，可以帮助科研人员分析城市污染物的来源、传输路径和浓度分布，为环境保护和污染治理提供科学依据。 3. 风能资源评估 利用风能发电是一种清洁、可再生的能源利用方式。通过模拟大气湍流，可以评估风能资源的分布和利用潜力，为风电场选址和设计提供技术支持。 三、大气湍流模拟方法的挑战与展望 1. 精度提升 当前的大气湍流模拟方法仍然存在精度不高的问题，特别是对于小尺度湍流的模拟。因此，需要进一步改进模拟算法和数值计算技术，提高模拟结果的准确性。 2. 计算成本降低 目前的大气湍流模拟方法需要耗费大量的计算资源和时间。在提高精度的前提下，需要寻求更高效的计算方法，降低计算成本。
沟槽面在湍流减阻中的技术研究及应用进展_王树立.
文章编号 :1000-2634(2008 01-0146-05 沟槽面在湍流减阻中的技术研究及应用进展 * 王树立 , 史小军 , 赵书华 , 刘强 , 王海秀 (江苏省油气储运技术重点实验室 ·江苏工业学院 , 江苏常州 213016 摘要 :针对长输管道中存在的能源消耗问题 , 分别从湍流边界层流动特 性、拟序结构、条带结构、转捩等方面归纳了沟槽面湍流减阻的国内外研究现状 , 讨论了沟槽的几何形状和尺度、流场压力梯度、沟槽面放置方式对沟槽减阻效能的影响。对沟槽面的减阻机理进行了综述 , 分析了存在的问题。指出需要利用先进的实验技术如 P I V 等图像处理手段 , 并结合计算流体力学软件对湍流边界层的瞬时流场进行研究 , 以找出沟槽面湍流减阻的机理。数值模拟了在平板中部横向布置的下凹沟槽的流场情况 , 得到了一种小涡流动结构 , 同时验证了这种结构在减阻中的作用 , 阐述了对减阻的另一种认识 , 并对沟槽面湍流减阻技术及其工业利用进行了展望。 关键词 :沟槽面 ; 湍流减阻 ; 拟序结构 ; 条带结构 ; P h o e n i c s ; 流场 中图分类号 :TE 89文献标识码 :A 随着全球能源消耗的不断上升 , 人们越来越认真 考虑如何有效地利用和保护能源 , 探求节约能源的新方法和新技术 , 其主要途径之一就是在各种运输工具的设计中 , 尽量减少表面摩擦阻力。常规的飞机和舰船 , 其表面摩阻约占总阻力的 50%;在水下运动的潜艇 , 这个比例可达到 70%;而在长输管道中 , 泵站的动力几乎全部用于克服表面摩擦阻力。在这些运输工具表面的大部分区域 , 流动都处于湍流状态 , 所以研究湍流边界层减阻意义重大 , 这已被N A S A 列为 21世纪的航空关键技术之一。有关减阻的研究可追溯到 20世纪 30年代 , 但直到 60年代中期 , 研究工作主要集中在减小表面粗糙度上 , 隐含的假设是光滑表面的阻力最小。之后 , 科技工作者通过对不同流动情况的实验表明 :光滑
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
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、
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。
大气边界层的湍流结构与特征研究
大气边界层的湍流结构与特征研究大气边界层是指地球表面与大气中高空空气交接的层次。在大气边 界层中存在着湍流结构，这种结构对于气象、环境、风能等方面具有 重要意义。本文将对大气边界层的湍流结构及其特征进行研究。 一、大气边界层与湍流结构 大气边界层是指地球表面与大气中高空空气交接的层次。其高度范 围一般为地表附近几百米到几千米。大气边界层中存在着湍流结构， 湍流是一种流体运动的不规则性，它体现为速度、能量和质量的扩散。 大气边界层的湍流结构主要受到以下因素的影响： 1. 风速和风向：风速越大，湍流结构越发展，风向变化剧烈时，湍 流结构也会发生变化。 2. 地表形态和植被：地形起伏、建筑物和植被对湍流结构有较大影响，如山地、城市和森林等地形具有不同的湍流特性。 3. 气象条件：大气温度、湿度、辐射等气象条件对湍流结构具有一 定影响。 4. 大气层中的层结和不稳定度：大气层中存在的温度、湿度层结以 及不稳定度的变化，会对湍流结构产生影响。 二、大气边界层湍流特征 大气边界层湍流具有以下特征：
1. 三维结构：大气边界层中的湍流运动是三维的，在水平、垂直和 时间尺度上都具有不规则性。 2. 不稳定性：大气边界层中存在温度、湿度的垂直梯度，不稳定度 较高，湍流结构也较为发达。 3. 多尺度性：大气边界层湍流在不同的尺度上都存在，从小到大可 以有小涡旋、湍流爆破、辐合辐散等不同尺度的结构。 4. 波动性：湍流结构具有剧烈变化的特点，可以存在波动、混沌等 非线性现象。 三、大气边界层湍流研究方法 大气边界层的湍流结构研究主要通过以下方法进行： 1. 实地观测：在大气边界层进行气象探测，通过测量风速、风向、 温度、湿度等参数，可以获取湍流结构的一些特征。 2. 数值模拟：利用计算流体力学方法对大气边界层中的湍流结构进 行数值模拟，可以模拟出湍流的演化过程及其物理特性。 3. 实验室模拟：通过实验室装置，模拟大气边界层内的湍流结构， 探究湍流的形成机制和特征。 四、大气边界层湍流结构的研究意义 对大气边界层湍流结构的研究具有以下意义： 1. 预测和预警：了解大气边界层湍流结构的特征，可以为天气预测、灾害预警等提供依据。
浅谈湍封闭理论及其研究方法
浅谈湍封闭理论及其研究方法 论文导读：湍流是海洋水体流动的主体。湍流的统计理论的目标则是从最基本的物理守恒定律——N-S方程和连续性方程出发,探讨湍流的机理。关键词：湍流，湍封闭模型，湍黏性系数，统计理论 湍流是海洋水体流动的主体，早在十九世纪初期，水力学家们便发现，在不同条件下，流体质点的运动情况可能表现为两种不同的状态，一种是层流运动，一种是湍流运动。 湍应力的封闭是流体动力学的一个重要课题，也是三维浅海流体动力学的重要问题。长期以来，浅海流体动力学模型均引入湍黏性系数将雷诺应力参数化，而多数为经验地给定湍黏性系数随深度的剖面。经验地给定湍黏性系数给理论和数值计算带来了方便，但却把非线性的湍应力线性化了，同时对流场结构和湍应力大小也造成不同程度的误差。迄今，更复杂的确定湍黏性系数的湍封闭模型已应用于浅海流体动力学，按引入的偏微分方程的个数，它们可分为零方程模型（如Prandtl模型）、一方程模型（如K模型）、二方程模型（如模型）和多方程模型。 最早关于湍流的理论是1883年英国科学家Reynolds通过实验建立起来的圆管内层流向湍流过渡的理论。在其后的100多年里人们已经从半经验分析方法到统计学方法提出了各种描述湍流的理论。
湍流是一种高频随机运动，海水运动大多呈这一复杂形式。湍流对海水的动量、热量和质量输运有重要贡献，对海水运动速度、温盐特性及水中溶解态、颗粒态物质的分布有显著影响。描述端流平均运动的Reynods方程是不封闭的，需要以一定的模型将湍流的宏观效应刻划出来． 随着计算机的产生，使得详细的模拟湍流流动成为可能。70年代，计算流体力学的发展促进了湍流模拟的发展．从二维正压流动的数值摸拟开始，出现了许多数值模式，如ADI 法、有限元法、谱方法等，此时人们将湍流问题线性化来简化问题。随着研究问题的深入，人们认识到湍流在诸如海面的波浪破碎、气泡生成、兰米尔环流，海洋内部的双扩散、跃层生衰内渡破碎等方面，起了举足轻重的作用。 1、湍流方程的提出 许多关于湍流运动的研究表明，尽管真实的湍流运动是十分复杂的，但是湍流运动还是遵守连续介质的一般动力学定律的，特别是遵守Navier－Stokes方程与连续方程。论文发表。因此，可将真实流动所遵守的Navier－Stokes方程与连续方程施行平均运算以得出湍流平均运动遵守的方程式。为此目的，我们写出了下述不可压缩流体的微分方程式组： 对连续方程（2）施行平均运算，可得：
流体力学中的湍流边界层理论与实验研究
流体力学中的湍流边界层理论与实验研究湍流边界层是流体力学中一个重要的研究领域，它涉及到流体在管道、河流、飞机机翼等表面上的流动机制。湍流边界层的理论和实验研究对于解决工程中的湍流流动问题，提高流体的输送效率，降低能量损失具有重要的实际应用价值。在本文中，我们将从湍流边界层的理论基础和实验研究方法两个方面来进行讨论。 一、湍流边界层的理论基础 湍流边界层的研究始于19世纪末，当时人们对于纳维-斯托克斯方程的解析解进行研究，发现在一定条件下，流体在边界层内表现出湍流现象。随后，人们提出了湍流边界层的理论模型，试图描述湍流边界层的形态和运动规律。其中最经典的理论模型是普拉斯特契克湍流模型和抛物型方程模型。 普拉斯特契克湍流模型是基于冲击动力学理论提出的，它将湍流边界层的运动视为一系列固定参数的二维振荡量，通过分析这些振荡量的湍流动力学特征，得出了湍流边界层的平均速度和湍流能量的表达式。普拉斯特契克湍流模型的提出，为湍流边界层的理论研究提供了重要的参考。 抛物型方程模型是湍流边界层研究的又一重要成果，它采用了数学上的偏微分方程来描述湍流边界层的运动规律。通过求解这些偏微分方程，人们可以得到湍流边界层的速度、梯度和流动的涡旋结构等信息，为湍流边界层的实际应用提供了重要的理论依据。
二、湍流边界层的实验研究方法 湍流边界层的实验研究是湍流边界层研究的重要组成部分，它通过实验仪器和测量手段来获取湍流边界层的宏观和微观参数，验证理论模型的准确性，探究湍流边界层的运动机制。目前，湍流边界层的实验研究主要包括以下几个方面： 1. 测量技术：湍流边界层的测量需要较高的精度和灵敏度，因此需要采用先进的测量技术。常用的湍流边界层测量技术包括激光多普勒测速仪、热线和冷线测速技术、压力传感器等。 2. 模型设计：湍流边界层的实验研究通常需要设计相应的模型和装置。这些模型和装置的设计应能够模拟真实流动情况，保证实验结果的准确性和可靠性。 3. 数据处理：湍流边界层的实验数据通常需要进行复杂的数据处理和分析。常用的数据处理方法包括小波分析、功率谱分析、自相关函数等，它们能够揭示湍流边界层的统计特性和流动结构。 4. 数值模拟：除了实验研究，湍流边界层的数值模拟也是一种重要的研究手段。通过数值模拟，人们可以在计算机上模拟湍流边界层的运动过程，获取湍流边界层的各种参数，为实验研究提供理论支持。 综上所述，湍流边界层的理论和实验研究对于流体力学的发展和应用具有重要的意义。只有通过深入的理论研究和准确的实验测试，才能更好地掌握湍流边界层的规律，进而优化工程设计，提高能源利用效率。期望本文对湍流边界层的研究有所帮助。
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。
湍流研究进展 课程论文
学号： 青岛科技大学化工学院 课程论文 湍流的研究进展 专业： 学生姓名： 指导教师： 完成时间：
湍流的研究进展 摘要：本文主要对湍流一百多年研究的历程做了简要介绍,并通过对湍流各种模型以及模型特点的详细介绍来说明湍流理论的发展。 关键字：湍流；湍流研究进程；湍流理论；湍流模型；湍流模型的特点The present situation and development of Turbulence ABSTRACT:This paper focuses on the history of study on turbulent years is briefly introduced, and through the turbulent models and characteristics of the model in detail to illustrate the development of turbulence theory. KEYWORDS:Turbulence; Turbulence research process; Theory of turbulence; Turbulence model; Turbulence model 1.湍流研究历程简介 人类观察到湍流现象可溯源很久, 但对它系统地进行研究则始于上世纪末一百多年来围绕着“什么是湍流的本质？怎样准确预测湍流运动”人们的认识日益深化, 预测方法不断改进。回顾一下湍流研究取得进展的历程对于进一步揭示这一十分复杂流动现象是有益的。 J.Boussinesq(1877)首先提出涡团粘度概念(Eddy viseosity),他认为湍流是一群杂乱无章的涡团。现代湍流理论的创始人O.Reynolds(1895)认为湍流是由层流不稳定性发展起来的，并提出湍流运动可以分解为时均和脉动两部分，他导出了含有时均脉动动量输运的湍流时均方程。这两位湍流研究的先驱者对湍流的认识有所不同，Boussinesq认为湍流现象是“湍流体”（即涡团）的运动，他希望得到“湍流体”的流变模型。Reynolds则主张湍流是一种运动状态，他仍由一般的流体动力学方程（即Navier-Stokes方程）控制。这两种观念始终存在于湍流研究的进程中,而且各自都得到发展，有时互
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。
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
湍流对水力旋流器内颗粒运动行为影响的数值模拟研究
湍流对水力旋流器内颗粒运动行为影响的数值模拟研究 章节一：引言 - 研究背景和意义 - 国内外研究现状和进展 - 研究目的和内容 章节二：数值模拟方法 - 水力旋流器模型建立 - 流场计算方法 - 颗粒运动模拟方法 章节三：湍流对颗粒运动的影响 - 颗粒运动的基本规律 - 湍流对颗粒运动的影响机理 - 湍流对颗粒运动的数值模拟方法 章节四：数值模拟结果与分析 - 颗粒运动规律的数值模拟结果 - 湍流对颗粒运动的影响分析 - 影响因素对颗粒运动的影响分析 章节五：结论与展望 - 研究结论和贡献 - 研究不足和展望 - 实践应用前景和意义第一章节：引言 水力旋流器是一种用于液-固分离的设备，可在多个行业中应
用，如矿业、环保、化工等。旋流器通过在旋流腔内制造高速旋转的涡流，使颗粒物沉积到旋流器底部，从而实现液-固分离。水力旋流器具有结构简单、操作方便、效率高等优点。然而，水力旋流器的颗粒物分离效果和流量稳定性可以受到湍流的影响。 湍流是一种流体运动状态，具有涡旋混合和能量损失等特性。水力旋流器在使用过程中，液体将以高速旋转的方式进入旋流腔内，此时液体会形成湍流流动，并影响颗粒物的沉降过程。近年来，数值模拟方法的发展使得对于液-固分离设备内部颗 粒物分布状况的研究有了更深入的了解，也为对于水力旋流器内颗粒运动的研究提供了可靠的工具。 本论文旨在通过数值模拟方法，研究湍流对水力旋流器内颗粒运动行为的影响。首先，本章节将介绍研究背景和意义。随后，将从国内外研究现状和进展以及研究目的和内容两方面阐述本研究的意义和贡献。 一、研究背景和意义 水力旋流器是一种有效的液-固分离设备，在工业生产过程中 得到了广泛的应用。然而，水力旋流器内部液流具有高速旋转的特点，这种特殊的流动状态会对颗粒物的沉降产生影响，导致颗粒物分离效果不佳，影响设备的稳定运行。因此，对于水力旋流器内部流场结构和颗粒物分布规律进行深入研究，有助于进一步提高旋流器的分离效果和流量稳定性。 二、国内外研究现状和进展
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。
大气湍流对飞行器飞行性能的影响研究
大气湍流对飞行器飞行性能的影响研究 引言 随着航空工业的发展，飞行器的性能表现越来越重要。大气湍流作为一种重要的自然现象，在飞行器的飞行过程中会对其性能产生影响。本文旨在探究大气湍流对飞行器飞行性能的影响，并对最新的研究成果进行综述。 大气湍流的特性及影响 大气湍流可以被定义为空气流动的一种不规则运动，并且具有高度的不可预测性。其主要特征包括速度的随机性、不规则度和空间尺度的多样性。这种湍流运动在飞行器的飞行过程中会引起气流强度、方向的突变，从而影响飞行器的控制和稳定性能。 首先，大气湍流会导致飞行器遭受气动载荷的突变。湍流对气流速度和方向的不规则性使得飞行器在飞行过程中可能会遇到突然的气流变化，从而导致飞行器承受的气动载荷瞬时增大或减小。这对于飞行器的结构安全和控制稳定性来说是一个重要的挑战。 其次，湍流也会对飞行器的气动性能产生直接影响。由于湍流的存在，飞行器的气流绕流会变得更加复杂，产生更多的涡流和湍流。这使得飞行器的阻力增加，升力系数降低，从而影响飞行器的升力性能和耗能情况。同时，湍流会影响飞行器的气动声学性能，产生噪声污染。 最后，湍流还会对飞行器的控制性能产生负面影响。湍流对飞行器的控制面产生的扰动可能会对操纵性能产生直接影响，导致飞行器的控制精度降低。特别是在低速飞行和复杂气流条件下，湍流的影响更为明显，如此一来，飞行器的操纵难度将大大增加。 大气湍流的控制与影响研究
针对大气湍流对飞行器的影响，科研人员进行了一系列的研究，并提出了一些 控制方法。其中，一种常用的方法是通过飞行控制系统的优化来减小大气湍流对飞行器性能的影响。这种方法通过改善飞行器的自稳性和控制性能，降低其对扰动的敏感性。此外，也有研究人员通过重新设计飞行器的结构和表面形态，减小湍流对其产生的影响。 此外，科研人员还利用数值模拟和实验手段研究大气湍流对飞行器性能的影响。通过建立数学模型和流体力学模拟，研究人员可以对大气湍流进行定量描述，并进一步分析其对飞行器的影响。同时，一些实际的湍流环境下的试验测试也被用于验证数值模拟的准确性和可信度。 结论 大气湍流对飞行器的飞行性能有着显著的影响。它可以导致飞行器遭受气动载 荷的突变，降低其气动性能，影响其控制能力。在实际应用中，科研人员通过控制系统的优化和结构设计的改进，尽可能减小大气湍流对飞行器的影响。此外，数值模拟和实验手段的应用也为飞行器性能研究提供了有力的支持。 虽然目前对于大气湍流对飞行器飞行性能影响的研究在理论上有了一定的进展，但湍流本身的复杂性依然是一个巨大的挑战。未来的研究应该集中在进一步深化对大气湍流行为和特性的认识上，并通过更加准确的数学模型和实验手段来探索湍流对飞行器的影响机制。只有不断加强对大气湍流的研究，我们才能够提高飞行器的性能和安全性。（作者：某某某）
回顾早期中国的湍流研究
回顾早期中国的湍流研究 摘要：中国的湍流研究发展历史并不长，从20世纪30年代开始，主要的人物有周培源、张国藩、林家翘、庄逢甘、谈镐生等诸位先生。本文简单介绍了早期湍流研究的科学家们为中国湍流事业的发展做出的重要贡献，他们的巨大努力为今后中国湍流研究的发展奠定了坚实的基础。 关键词：湍流，湍流统计理论，均匀各向同性湍流，N-S方程 1 引言 最先在中国的湍流研究是出自王竹溪，王竹溪在周培源的指导下发表了国内首篇湍流学术论文，“湍流”一词是王竹溪最早提出的。早期因为语言和文化的原因，中国与其他国家缺乏国际交流，中国的科学家们在艰苦困难的条件下开展湍流研究，奉献了一生在为中国科学事业的发展。本文简单的对部分湍流研究的科学家们做介绍，目的是让大家都能够认识这些为中国湍流事业发展在背后默默努力的先生们，对湍流研究发展有个简单的了解。 2 关于湍流理论 湍流的问题一直是流体力学领域中公认的难题，湍流其最主要的特点是多尺度有结构的非线性流体运动。早期科学家们对于湍流的研究是对数学方程的计算分析，20世纪30年代周培源在广义相对论的启发下对雷诺应力的表达式进行换算然后修正，之后建立了十七方程理论，这是早期中国湍流研究的初始阶段，这个理论是初代模式理论。随后时间周培源与他的学生对这个理论的建立进行改进和完善。随着计算机的发展，数值模拟逐渐成为了研究湍流的主要手段，科学家们建立各种湍流模型，例如涡球模型、相似模型、混合长模型等，对这些模型进行分析。但是由于受到设备的局限，当时科技水平还远不达到理论的验证，各种各样的模型都很难真正解决具体问题，需要运用超级计算机。早期有奠基性作用的是柯尔莫戈洛夫理论，即局部均匀各向同性湍流。最早由泰勒提出均匀各向同