什么是湍流?

[拼音]：tuanliu

[外文]：turbulent flow

又称紊流，具有很不规则的高频脉动的流动状态，在这一状态下流体内部充满大小不一的旋涡，流动空间中各点的运动速度和压力随时间变化。是依据粘性流体流动的内在结构划分的两种基本流动状态之一。自然界和工程上涉及的流体流动大都是湍流，例如大气和海水的流动，流体在管道中的流动，向空中排放的烟气流以及向江河排放的水流，流体在换热器和反应器等化工设备中的流动等。了解湍流，对解决许多工程问题有重要意义。

在湍流运动中，流体流经固定点的速度随时间作不规则的变化，各部分激烈掺混。不断脉动的湍流运动的速度 u可分解为时均速度 ū以及脉动速度u′，即对时均速度的偏离（见图），可表示为：

u＝ū+u′

ū的定义为：

式中t为时间；T为求u的平均值所取的周期。如果T值足够长，ū值不随时间而变化，则湍流为定态湍流，否则为非定态湍流。

湍流时的动量传递虽然仍有分子间的传递，但主要是依靠微团的湍流脉动（旋涡运动），后者的作用比分子传递强得多，可以高几个数量级。因此，与层流相比，湍流时动量通量大得多，摩擦阻力也大得多。湍流时由于强烈的动量交换，速度分布较层流平坦，流动阻力几乎与流速的平方成正比，管流湍流时传热分系数和传质分系数均约与速度的 0.8次方成正比。湍流的不利方面是脉动造成能量消耗增加，但湍流脉动促进混合，有利于热量传递、质量传递和化学反应，大大提高了这些过程的速率。研究湍流的发生和运动规律的湍流理论，是强化有关过程以及进行有关设备设计的理论基础。

对湍流现象进行实验和理论研究由O.雷诺首开其端，至今已有100多年。关于层流向湍流状态的转变，雷诺认为这是层流稳定性问题。20世纪30年代，由德国L.普朗特学派的W.托尔明通过计算得到平板边界层中层流失去稳定性时的临界雷诺数。

对湍流运动规律的研究，遵循两条基本途径：

（1）研究时均运动规律，形成了湍流半经验理论；

（2）研究脉动运动规律，形成了湍流统计理论。在湍流半经验理论方面，法国科学家J.布森涅斯克最先于1877年提出涡流粘度理论，其后1925年普朗特提出混合长理论（亦称动量传递理论），还有1930年T.卡门提出的相似理论和1932年G.I.泰勒提出的涡量传递理论等。在湍流统计理论方面，首先是泰勒（1935），后来有卡门（1938）和Α.Н.科尔莫戈罗夫（1941）等著名科学家，用统计方法考察湍流，为湍流统计理论奠定了基础。

在对脉动运动作一些简化的基础上，寻求时均速度分布和阻力定律，其中所出现的常数由实验决定。主要的理论有：

布森涅斯克设想湍流剪切应力与时均流动的关系，可用类似于牛顿粘性定律（见粘性流体流动）的形式表述，即湍流剪切应力τ慻可写为：

式中εm为涡流运动粘度；ρ为流体密度。实验证明：除了固体壁面附近之外，涡流运动粘度比分子运动粘度大很多倍，而且与在流场中的位置及时均速度等因素有关。利用这一概念，通过实验得到涡流运动粘度与有关因素的关系式后，即可将上式作为湍流计算的基础。利用类似的方法，还可引入涡流热扩散系数（即湍流热导率）和涡流扩散系数，用于湍流传热和传质计算。

普朗特将湍流运动与气体分子运动相比拟，设想湍流运动时流体微团的运动类似于气体分子的随机运动，微团能保持自己的动量向任意方向移动一段距离，然后互相碰撞而交换动量，交换机理亦类似于分子运动引起的不同速度层之间的动量交换（见动量传递）。普朗特仿照分子平均自由程的概念，引入混合长l，假定脉动速度的x 方向分量


与


同一数量级（dūx/dy是时均速度梯度），


与


(脉动速度y方向的分量)数值相当，于是确定了湍流运动剪切应力τ慻的计算式，又称普朗特混合长公式，即：

式中ūx是x方向的时均速度分量；ρ为流体密度。若假定l正比于离开壁面的距离y，即l＝ky，k为常数，则由上式可知湍流时阻力正比于速度平方，这与实验结果相符。将这一公式积分，就可以得到对数速度分布和流动阻力公式（见管流）。

由于湍流状态下的脉动在一定程度上是一种随机现象，用统计方法研究湍流是很自然的。统计上描述湍流的主要参数是湍流的强度和尺度，而比较重要的一种理论是局部各向同性湍流理论。

表示湍流结构常用的两参数。

（1）湍流强度 系旋涡脉动速度和能量的度量，是脉动速度的均方根平均值。有时以它与时均速度的比值来表示，称为相对湍流强度，对于管内运动，此值一般为百分之几。

（2）湍流尺度 系湍流中旋涡尺寸的度量，是旋涡的平均大小。湍流中的旋涡一般是多尺度的，从设备尺寸级至毫米级，甚至更小。

局部各向同性湍流理论 科尔莫戈罗夫所阐明的湍流的物理模型是，雷诺数充分大时，湍流由一系列不同大小的旋涡组成。最大旋涡具有空间特征尺寸的数量级；最小旋涡显示出分子粘性对动量传递的作用。能量从大旋涡向小旋涡，小旋涡又向更小的旋涡传递，直至最小旋涡，最后因粘性的作用耗散为热量。

小旋涡的重要特性在于它是各向同性的，即湍流脉动的统计特性与方向无关。科尔莫戈罗夫提出了局部各向同性湍流理论，并用因次分析方法导出了这一理论包含的一些重要关系式：

式中


系尺度为λ的脉动运动速度;ε为单位质量流体的能量耗散；ε0为湍流内尺度；v为流体的动力粘度。

湍流统计理论从20世纪30年代开始发展，至今尚未成熟，但在化工领域中已经获得了一些重要应用。如用以阐明液固两相系统中的颗粒悬浮机理、计算临界悬浮条件；用于液液(气液)两相系统，对湍流脉动造成液滴（或气泡）分裂的机理进行分析；估计在分散相含量较低情况下的液滴平均直径；分析混合机理，阐明混合对化学反应的作用；分析传热、传质机理，以指明强化这些传递过程所应采取的措施等。

60年代后期，湍流实验研究中发现了拟序结构，即认为湍流流场中存在着有序的大尺度旋涡结构，改变了湍流完全是一种随机现象的传统观念。这一现象现在还没有研究清楚，但已有迹象表明，它对壁面流动结构和传递机理的阐明将起关键作用。对不同大小设备中湍流结构上的差异的了解，将对化工设备的放大起重大影响。此外，两相流系统的湍流理论和界面湍流等，对化工设备性能的了解至关重要。但目前认识得还很不够，这将是今后湍流研究的重要方面。

参考文章

曝气速率对附加微通道湍流促进器SMBR流体动力学性能的影响废水治理湍流TurbulentFlow地球科学

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