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1、专业：学生姓名：指导教师：完成时间：青岛科技大学化工学院课程论文湍流的研究进展学号：13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ThepresentsituationanddevelopmentofTurbulenceABSTRACT:Thispaperfocusesonthehistoryofstudyonturbulentyearsisbrieflyintroduced,andthroughthetur
2、bulentmodelsandcharacteristicsofthemodelindetailtoillustratethedevelopmentofturbulencetheory.KEYWORDS:Turbulence;Turbulenceresearchprocess;Theoryofturbulence;Turbulencemodel;Turbulencemodel1.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
3、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(Eddyviseosity),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”13的流变模型。Reynolds则主张湍流是一种运动状态，他仍由一般的
4、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，有时互相补充。不过后来的湍流研究者的主流赞同Reynolds的观点，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。上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H.Dryden和A.Kuethe（1927）研制成功，这一技术革新为湍流实验研究提供了有效的观测手段。这一时期L.Prandtl（1925），Th.VonKarman(1930)和G.I.Taylor(1932)先
5、后提出了湍流的混合长理论、相似假定和涡输运理论,并由此导出了二维Reynolds应力的封闭式。他们指出了封闭Reynolds方程或Reynolds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。我国周培源教授(1945),建立的湍流相关动力学方程及其近似解法是这一时期湍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。从四十年代到六十年代
6、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。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,复杂的湍流模式的建立和发展、湍流的直接数值模拟的尝试以及在Navier-Stokes方程中发现奇异吸引子13(E.Lorentz,1963)或其它混沌现象的探索是这段时期湍流研究中的重大突破。由于高速大型计算机的出现,人们试图用数值方法来描述湍流运动。一是通过直接求解Navier-Stokes方程；另一途径是大涡模拟方法。其基本思想为用滤波器将物理量分成大尺度量和小尺度量。小尺度
7、量对大尺度运动是通过非线性关联量来实现的，这些关联量叫做拟雷诺应力或小网格雷诺应力。小网格模型给出了它们与大尺度量之间的关系。大尺度量由数值计算得到,从而进一步计算小尺度关联量及湍流的细致流谱。这样使我们通过有限网格数的计算得到湍流更为详细的描写。30年代Fage和Townsend用超倍显微镜观察发现边界层底层并非层流，由此揭开了边界层拟序结构研究的序幕。至九十年代，对拟序结构的某些环节已经有了一些一致的认识和定量结果。拟序结构的发现改变了人们传统的认为湍流脉动是完全随机过程的观点,它展示了湍流表观的无序运动中包含的某种内在有序性,进一步的研究表明湍流中的
8、大涡拟序结构在湍流动能的产生与湍流的维持起主导作用,它是湍流的又一
