《湍流及轉捩》課件

湍流及轉捩歡迎來到《湍流及轉捩》課程。本課程將深入探討流體力學中這一復雜而fascinating的領域，揭示湍流的奧秘及其在工程應用中的重要性。課程綱要1湍流基礎探討湍流的定義、特點及其在工程中的重要性。2湍流邊界層深入研究湍流邊界層的結構、方程及其應用。3轉捩過程分析層流向湍流的轉變機制及影響因素。4測量與模擬介紹湍流測量技術和數(shù)值模擬方法。湍流的重要性工程應用湍流在航空航天、海洋工程、氣象學等領域扮演著關鍵角色。能量傳遞湍流促進了流體中的質(zhì)量、動量和能量的快速交換?；旌显鰪娫诨瘜W反應和燃燒過程中，湍流顯著提高了混合效率。湍流的特點隨機性湍流運動呈現(xiàn)出不規(guī)則和混沌的特征。旋渦結構包含多尺度的旋渦，從大尺度到小尺度。強擴散性湍流增強了流體中的傳質(zhì)、傳熱和動量傳遞。湍流能量譜1能量含量大尺度2慣性子區(qū)3耗散尺度湍流能量譜描述了不同尺度渦旋的能量分布。大尺度渦旋攜帶主要能量，通過能量級聯(lián)向小尺度傳遞，最終在最小尺度耗散為熱能。湍流統(tǒng)計量平均速度描述流場的整體運動趨勢。湍流強度表征速度波動的劇烈程度。雷諾應力反映湍流運動對平均流的影響。相關函數(shù)描述湍流運動的空間和時間關聯(lián)性。湍流邊界層1粘性底層緊貼壁面，粘性效應占主導。2緩沖層粘性和慣性效應共同作用的過渡區(qū)。3對數(shù)律區(qū)速度分布呈對數(shù)關系，慣性效應占主導。4外層與自由流相接，受外流影響顯著。平板邊界層層流區(qū)流動平穩(wěn)，速度分布呈拋物線形。轉捩區(qū)層流向湍流過渡，出現(xiàn)不穩(wěn)定性。湍流區(qū)完全發(fā)展的湍流，混合增強。湍流邊界層方程組連續(xù)性方程描述質(zhì)量守恒。動量方程考慮雷諾應力項的納維-斯托克斯方程。能量方程包含湍流熱通量的能量守恒方程。邊界層過渡機理1初始擾動2線性增長3非線性相互作用4湍流斑點形成邊界層從層流向湍流的轉變是一個復雜的過程，涉及多種不穩(wěn)定性機制和非線性相互作用。臨界雷諾數(shù)5×10^5平板臨界雷諾數(shù)基于距離前緣的距離計算。2300管道臨界雷諾數(shù)基于管道直徑和平均流速計算。10^6翼型臨界雷諾數(shù)基于翼弦長度計算。管道內(nèi)流動的轉捩1層流低雷諾數(shù)下，流動呈拋物線速度分布。2間歇性湍流斑點開始出現(xiàn)，但未充滿整個截面。3完全湍流高雷諾數(shù)下，流動完全湍化。邊界層類型層流邊界層流體層間平行流動，無明顯混合。過渡邊界層層流向湍流轉變的中間狀態(tài)。湍流邊界層充滿不規(guī)則渦旋，混合強烈。平面湍流邊界層速度分布近壁區(qū)呈線性，對數(shù)區(qū)呈對數(shù)分布。湍流強度在緩沖層達到最大值，向外逐漸減小。雷諾應力在近壁區(qū)快速增加，對數(shù)區(qū)達到最大。湍流邊界層壓力梯度效應順壓梯度加速流動，邊界層變薄。零壓梯度邊界層自然發(fā)展。逆壓梯度減速流動，邊界層增厚，易分離。湍流邊界層分離分離點壁面剪應力為零的位置。分離泡分離區(qū)域內(nèi)的回流區(qū)。再附著點流動重新貼附于壁面的位置。湍流邊界層熱傳遞熱傳導近壁區(qū)主導的熱傳遞機制。對流換熱湍流摻混增強了熱量傳遞。湍流熱通量描述湍流脈動對熱量傳遞的貢獻。湍流邊界層控制減阻通過控制湍流結構降低表面摩擦阻力。延遲分離增加邊界層動能，抵抗不利壓力梯度。增強換熱促進湍流混合，提高熱傳遞效率。主動控制方法吸吹控制通過壁面吸氣或吹氣改變邊界層特性。振動控制利用壁面振動抑制或激發(fā)特定湍流結構。等離子控制使用等離子體激勵器影響邊界層流動。被動控制方法翼型利用表面微結構減少湍流摩擦阻力。渦流發(fā)生器產(chǎn)生縱向渦，增強動量交換。凹坑通過表面幾何改變局部流動結構。流動測量技術激光多普勒測速法工作原理利用散射粒子的多普勒頻移測量流速。優(yōu)點非接觸、高精度、可測三維速度分量。應用廣泛用于復雜流動的精細結構測量。湍流數(shù)值模擬1直接數(shù)值模擬(DNS)2大渦模擬(LES)3雷諾平均(RANS)湍流數(shù)值模擬方法根據(jù)計算精度和計算成本可分為三個層次。DNS精度最高但計算量大，RANS計算量小但精度較低，LES介于二者之間。雷諾平均方程時間平均將流動變量分解為平均值和脈動值。雷諾應力引入湍流脈動產(chǎn)生的附加應力項。封閉問題需要引入湍流模型來封閉方程組。湍流模型代數(shù)模型如混合長度模型，簡單但適用性有限。一方程模型如Spalart-Allmaras模型，計算效率高。兩方程模型如k-ε和k-ω模型，應用廣泛。雷諾應力模型直接求解雷諾應力輸運方程，精度高但復雜。k-ε模型湍動能k描述單位質(zhì)量流體的湍流脈動動能。耗散率ε表征湍動能耗散為熱能的速率。應用廣泛用于工程湍流流動模擬，特別是自由剪切流。SSTk-ω模型近壁區(qū)采用k-ω模型，精確描述邊界層流動。過渡區(qū)使用混合函數(shù)平滑過渡。遠場轉換為k-ε模型，避免自由流敏感性。壁函數(shù)原理利用近壁區(qū)流動的普適性規(guī)律橋接壁面和湍流核心區(qū)。優(yōu)點減少近壁區(qū)網(wǎng)格數(shù)量，降低計算成本。局限性在復雜流動中可能導致精度降低。大渦模擬濾波將湍流運動分為大尺度和小尺度。直接求解大尺度渦旋直接計算。亞格子模型模擬小尺度渦旋的效應。直接數(shù)值模擬全尺度解析直接求解納維-斯托克斯方程，不引入任何模型。高精度能夠捕捉到最小尺度的湍流結構。計算挑戰(zhàn)需