湍流研究的现状和进展

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1、湍流研究的现状和进展张兆顺忻鼎定〔清华大学北京航空学院张,兆顺清华大学工程力学系教授年生于上海市年毕业于上海交通大学造船系年毕业于中国科学院和清华大学联合主办的工程力学研究班,,工程毕业后在清华大学工程数学力学系力学系任教年至,年在英国南安普敦大学应用科学院航空及航天工程系进修年月被授于南安普敦大学应用科学院博士,刀曾从事超声速面积律流体,,湍流机械等研究近年来从事壁湍流的拟序结构及其模式风生浪及海浪预报的研究。,、提要本文对一百多年来湍流研究的进展作了简要回顾并着重评述了湍流模式理论切变湍流的相,干结构和湍流数值模拟的最新成就对湍流研究的发展提出了一些建议和设想,,拟序结,关键

2、词湍流湍流模式构剪切湍流一、简要的历史回顾,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,‘,,首先提出涡团粘度概念他认为湍流是一群杂乱〔刀无章的涡团现代湍流理论的创始人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即“,应力一砂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“”,“”认为湍流现象是湍流体即涡团的运动他希望得到湍

3、流体的流变模型,一则主张湍流是一种运动状态它仍由一般的流体动力学方程即方程控制值得,,指出的是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相互补充不过,,现代湍流研究者的主流赞同的观念并在他的理论基础上发展但在有些应用中还袭用涡团粘度概念,本世纪二十年代开始的空气动力学发展的全盛时期湍流研究也取得了很大进展第一台有电〔,子管补偿线路的热线风速计由和研制成功这一技术革新,因为湍流实验研究提供了有效的手段我们特别强调这一杰出贡献为对于像湍流这样复杂的流,,动现象没有有效的观测手段就不可能对它有深人的认识而每一次对复杂流动现象的实验观测,‘们,上的重大发明对湍流研究的突破

4、都有重大的贡献这一时期幼〔,,‘,、和先后提出了湍流的混合长理论相似假定和涡输运,并由理论此导出了二维应力的封闭式这三位流体力学大师在湍流理论方面的共同,贡献是他们指出了封闭方程或应力的封闭表达式应从脉动场的性质中去寻找他们的思想和方法为近代湍流模式理论提供了雏形湍流统计理论也在这一时期发展起,,〔,,,来吸引了一些著名的物理学家和数学家如〔幻〔,,等应当指出我国周培源教授建立的湍流相关动力学方程及其近似解法是这,一时期湍流统计理论中的杰出贡献虽然由于计算工具的限制这一理论在当时只能用于解简单,,湍流问题而未能得到广泛的应用和发展然而二十年后人们发现周氏方程是建立湍流模式的奠基石

5、从四十年代到六十年代末湍流研究在理论和实验两方面都没有很大的突破但是应用热线,风速计测量各种湍流特性的资料大大充实了湍流的数据库例如壁湍流的对数律得到公认,,‘,尾迹律和直槽道中湍流统计特性等等为惴流理论和应用提供了很好的实验数据如卡门常数及关系式在实验中已开始发现切变湍流中的间歇性·,‘,,,,〔‘,,等这一发现导致以后大尺度结构的深人研究,,六十年代末以后湍流研究又出现了一个新高潮切变湍流中拟序结构的发现复杂的湍流模、一式的建立和发展湍流的直接数值模拟的尝试以及在方程中发现奇异吸引子,或其它混沌现象的探索是近二十多年来湍流研究中的重大突破科技界期待,着流体力学工作者能够尽早解

6、决湍流的准确预测间题我们将在后文较详细地评述湍流的近代发展。二、湍流模式理论湍流模式理论的目标是准确预测实际湍流的平均运动采用分解式,矶认阶尸一可导出平均运动的方程或平均方程,,,,,,,百,亏,,一一户,。,百,,,一仄,万不,一以及脉动速度和脉动压力方程,,,,,。,,,、,,,,,,一一,。“,,,“,。,百厅户一石,,,,,,一,,。一。,二,一、,。,,应用方程解脉动压力可表示成积分式,,,,·,之友·,〔,亏一,‘“卜众一丽十工一‘汀,‘”此处丫一川上标号表示取’处值方程组一中都含有湍流脉动动量的平均输,,、运项即应力项一而它是方程中的不封闭项准确合理地给出封闭式是模

7、式理论的任务,,,近代模式理论是建立在统计流体力学基础上是一点的二阶速度关联由不难导丽’、出它的动力学方程如下,,,,,了。十丽云瓜瓦一卜毒不一约司冠、,,一无,,,,,一舀妥玉,,一云,,承力刃汀荞舀百,箭,、,十,脚,十一万丁不不必,、,,,的式左端是沿平均轨迹的变化率其中是飞舀妥在平均流场中的输运右端各项为石,,,,,湍流扩散分子扩散生成率压力变形率相关它导致应力张量,、、,之间的重新分配耗散性项其中三项是新的待封闭项仔细分析这些,,,项我们可以发现它们都是空间多点速度关联