湍流

风速和风向的变化引发自然现象

湍流也被称为“气流扰动”，由风速和风向的变化引发。

基本介绍

湍流是流体的一种流动状态。当流速很小时，流体分层流动，互不混合，称为层流，也称为稳流或片流；逐渐增加流速，流体的流线开始出现波浪状的摆动，摆动的频率及振幅随流速的增加而增加，此种流况称为过渡流；当流速增加到很大时，流线不再清楚可辨，流场中有许多小漩涡，层流被破坏，相邻流层间不但有滑动，还有混合,形成湍流，又称为乱流、扰流或紊流。

在自然界中，我们常遇到流体作湍流，如江河急流、空气流动、烟囱排烟等都是湍流。

湍流是在大雷诺数下发生的，雷诺数较小时，黏滞力对流场的影响大于惯性力，流场中流速的扰动会因黏滞力而衰减，流体流动稳定，为层流；反之，若雷诺数较大时，惯性力对流场的影响大于黏滞力，流体流动较不稳定，流速的微小变化容易发展、增强，形成紊乱、不规则的湍流流场。

流态转变时的雷诺数值称为临界雷诺数。一般管道雷诺数Re=4000为湍流状态，Re=2320～4000为过渡状态。

湍流基本特征是流体微团运动的随机性。湍流微团不仅有横向脉动，而且有相对于流体总运动的反向运动，因而流体微团的轨迹极其紊乱，随时间变化很快（见图2）。湍流中最重要的现象是由这种随机运动引起的动量、热量和质量的传递，其传递速率比层流高好几个数量级。

湍流利弊兼有。一方面它强化传递和反应过程；另一方面极大地增加摩擦阻力和能量损耗。鉴于湍流是自然界和各种技术过程中普遍存在的流体运动状态（例如，风和河中水流，飞行器和船舶表面附近的绕流，流体机械中流体的运动，燃烧室、反应器和换

热器中工质的运动，污染物在大气和水体中的扩散等），研究、预测和控制湍流是认识自然现象，发展现代技术的重要课题之一。湍流研究主要有两类基本问题：阐明湍流是如何发生的；了解湍流特性。由于湍流运动的随机性，研究湍流必需采用统计力学或统计平均方法。研究湍流的手段有理论分析、数值计算和实验。后二者具有重要的工程实用意义。

湍流理论

中心问题是求湍流基本方程纳维-斯托克斯方程的统计解，由于此方程的非线性和湍流解的不规则性，湍流理论成为流体力学中最困难而又引人入胜的领域。虽然湍流已经研究了一百多年，但是迄今还没有成熟的精确理论，许多基本技术问题得不到理论解释。

1895年，O．雷诺首先采用将湍流瞬时速度、瞬时压力加以平均化的平均方法，从纳维-斯托克斯方程导出湍流平均流场的基本方程——雷诺方程，奠定了湍流的理论基础。以后发展了（以混合长假设为中心的）半经验理论和各种湍流模式，为解决各种迫切的技术问题提供了一定有效的理论依据。20世纪30年代以来，湍流统计理论，特别是理想的均匀各向同性湍流理论获得了长足的进步，但是离解决实际问题还很远。60年代以来应用数学家采用泛函、拓扑和群论等数学工具，分别从统计力学和量子场论等不同角度，探索湍流理论的新途径。70年代以来，由于湍流相干结构（又称拟序结构）概念的确立，专家们试图建立确定性湍流理论。关于湍流是如何由层流演变而来的非线性理论，例如分岔理论，混沌理论和奇怪吸引子等有了重要进展。

数值计算

实质上是求湍流基本方程的数值解。一方面湍流理论困难很大，另一方面湍流问题的可解性随着计算机性能的提高而增大，因而湍流数值计算的作用越来越重要。以前湍流数值计算主要以半经验理论为基础。60年代以前，积分方法和常微分方程方法成为工程技术部门的常规算法。60年代中期以后，由于高速电子计算机的应用，提出了各种复杂的湍流模式和计算方法，偏微分方程方法获得了迅速发展。特别是，70年代以来，由于第四代巨型高速计算机的使用，湍流数值计算向大规模的数值模拟的更高阶段发展。可以预料，随着计算机的进步，湍流数值计算将有更大的发展。

湍流实验

在可控的实验条件下，利用各种测试仪器和数据处理系统，测量湍流的特征参量或显示流场。湍流实验不仅可以直接取得有用的技术数据，而且是认识湍流结构，发展湍流新概念新模式的手段。20世纪30年代热线风速仪的发明，使人们可以测量湍流的脉动速度，检验并发展理论和半经验理论。50年代随着电子仪器的完善，实验侧重于研究湍能的谱分布，特别是湍流的精细结构。60年代中期以后，由于改善了流场显示技术，采用了条件采样方法，发现不规则的湍流中存在着有一定秩序的大尺度相干结构。从此湍流相干结构成为湍流实验的新课题。（见湍流理论，湍流数值计算，湍流实验）