湍流形成的真实原因-射流涡街理论的研究价值.docx

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1、湍流形成的真实原因—射流涡街现象的深入力学分析(2011-12-2507:04:32)标签：科学论文流体力学理论实验分析新涡街现象杂谈分类：流体力学涡流理论湍流真实成因解密—新发现射流涡街现象力学原理深入分析刘昌喆发现了与卡门涡街不同的射流涡街，在射流涡街实验中，演示了低速入塘射流会有左右交替生成涡街现象，速度升高以后射流还会出现甩尾现象。参见本博图片。自然河流中也常有射流涡街现象，不过至今还没有多少人对此注意。刘昌喆于2011年录到了深圳沙河中射流涡街视频影像。参见我新浪博客新发现涡街日志中视频。北京航空

2、学院（现在的中国航空航天大学）著名教授宁幌讲课说过“流体经不住搓，一搓就有涡。”这话最早出自普朗特关门女弟子、北航创始人陆士嘉教授。这种大家熟识的现象力学过程涉及新涡流学理论，对它详细的分析不在本文范围。简单地描述就是速度差会产生局部低压区域，也可以称为“涡核”。因低压区使低压区具有速度差部分流束受到法向力，产生法向加速度旋转成涡（或曲线偏转）。常态速度差的流体“搓出”的涡（或曲线偏转）不会是单独孤立的，一个形成的涡会随流滚动（曲线偏转会随流移动），后面新的速度差条件就会形成新涡，这样就能形成间断的涡系列（

3、或连续的振荡曲线）。射流的速度差是双面对称存在的，所以两边都有搓出涡的条件。在一面形成涡旋的后部旋流对于另一面有法向干扰，这一干扰诱导加速了这另一面搓成涡速度，在干扰者身后的对面迅速形成旋向相反的新涡。这样的过程交替反复，所以会左右交替形成涡列（或正弦振荡曲线）。这交错对应的两个涡列就是射流涡街，以上就是射流涡街形成过程的力学解释。在自然界中这种现象的痕迹随处可见，如小股溪流冲过松软平坦的泥滩时，所留下的沟痕不是笔直而是弯曲的。自然界无论湍急还是舒缓的河流的河岸也基本都是左右交替弯曲，也是这个道理。所以射流

4、涡街理论也是研究堤岸冲刷力学的理论，值得人们深入研究它。经实验发现：射流与相对流入环境或界面形成较高速度差时，会出现的甩尾现象。这在自然界也是常见现象，如常见的通水软管终端在失去约束时会摆动，如蛇样左右弯曲。就是射流甩尾现象的体现。是一种不完整回转—波振荡的力学现象。再进一步增加射流速度时，振荡与微局部搓动涡逐渐剧烈，也就出现湍流。速度差引起交替成涡和振荡是湍流的真正成因。船用螺旋桨推进时，向后推出的射流相对水体环境速度很高，所以形成一条向后如沸腾般的湍急流带。观察雷诺实验的逐渐加速，层流变为湍流过程：在管

5、流断面上，速度按高斯曲线分布。这是因附面层拖阻引起速度差。速度差形成交替的低压力区域而不形成完全涡。而这交替的低压力区域随流移动（其移动速度约为中心流速度二分之一）。体现形式流体中心开始法向正弦振荡，中心（染色）流形成正弦状曲线以近于中心流动一半速度移动。随着流速加大振荡频率加快，直至后来形成湍流。更强的湍流是机械搅拌或强冲击形成的湍流，已超出本文讨论内容。