![湍流[湍流]](/img/5/f16/nBnauM3X1EzNzkTOwkTN0ETN1UTM1QDN5MjM5ADMwAjMwUzL5UzLxEzLt92YucmbvRWdo5Cd0FmLwE2LvoDc0RHa.jpg "湍流[湍流]")
基本介紹
湍流湍流是流體的一種流動狀態。當流速很小時，流體分層流動，互不混合，稱為層流，也稱為穩流或片流；逐漸增加流速，流體的流線開始出現波浪狀的擺動，擺動的頻率及振幅隨流速的增加而增加，此種流況稱為過渡流；當流速增加到很大時，流線不再清楚可辨，流場中有許多小漩渦，層流被破壞，相鄰流層間不但有滑動，還有混合,形成湍流，又稱為亂流、擾流或紊流。
在自然界中，我們常遇到流體作湍流，如江河急流、空氣流動、煙囪排煙等都是湍流。
湍流是在大雷諾數下發生的，雷諾數較小時，黏滯力對流場的影響大於慣性力，流場中流速的擾動會因黏滯力而衰減，流體流動穩定，為層流；反之，若雷諾數較大時，慣性力對流場的影響大於黏滯力，流體流動較不穩定，流速的微小變化容易發展、增強，形成紊亂、不規則的湍流流場。
流態轉變時的雷諾數值稱為臨界雷諾數。一般管道雷諾數Re=4000為湍流狀態，Re=2320～4000為過渡狀態。
均勻煙流通過厚的平板後形成湍流湍流基本特徵是流體微團運動的隨機性。湍流微團不僅有橫向脈動，而且有相對於流體總運動的反向運動，因而流體微團的軌跡極其紊亂，隨時間變化很快（見圖2）。湍流中最重要的現象是由這種隨機運動引起的動量、熱量和質量的傳遞，其傳遞速率比層流高好幾個數量級。
湍流利弊兼有。一方面它強化傳遞和反應過程；另一方面極大地增加摩擦阻力和能量損耗。鑒於湍流是自然界和各種技術過程中普遍存在的流體運動狀態（例如，風和河中水流，飛行器和船舶表面附近的繞流，流體機械中流體的運動，燃燒室、反應器和換
熱器中工質的運動，污染物在大氣和水體中的擴散等），研究、預測和控制湍流是認識自然現象，發展現代技術的重要課題之一。湍流研究主要有兩類基本問題：闡明湍流是如何發生的；了解湍流特性。由於湍流運動的隨機性，研究湍流必需採用統計力學或統計平均方法。研究湍流的手段有理論分析、數值計算和實驗。後二者具有里要的工程實用意義。
湍流理論
中心問題是求湍流基本方程納維-斯托克斯方程的統計解，由於此方程的非線性和湍流解的不規則性，湍流理論成為流體力學中最困難而又引人入勝的領域。雖然湍流已經研究了一百多年，但是迄今還沒有成熟的精確理論，許多基本技術問題得不到理論解釋。
1895年，O．雪諾首先採用將湍流瞬時速度、瞬時壓力加以平均化的平均方法，從納維-斯托克斯方程導出湍流平均流場的基本方程——雷諾方程，奠定了湍流的理論基礎。以後發展了（以混合長假設為中心的）半經驗理論和各種湍流模式，為解決各種迫切的技術問題提供了一定有效的理論依據。20世紀30年代以來，湍流統計理論，特別是理想的均勻各向同性湍流理論獲得了長足的進步，但是離解決實際問題還很遠。60年代以來套用數學家採用泛函、拓撲和群論等數學工具，分別從統計力學和量子場論等不同角度，探索湍流理論的新途徑。70年代以來，由於湍流相干結構（又稱擬序結構）概念的確立，專家們試圖建立確定性湍流理論。關於湍流是如何由層流演變而來的非線性理論，例如分岔理論，混沌理論和奇怪吸引子等有了重要進展。
湍流數值計算
實質上是求湍流基本方程的數值解。一方面湍流理論困難很大，另一方面湍流問題的可解性隨著計算機性能的提高而增大，因而湍流數值計算的作用越來越重要。以前湍流數值計算主要以半經驗理論為基礎。60年代以前，積分方法和常微分方程方法成為工程技術部門的常規算法。60年代中期以後，由於高速電子計算機的套用，提出了各種複雜的湍流模式和計算方法，偏微分方程方法獲得了迅速發展。特別是，70年代以來，由於第四代巨型高速計算機的使用，湍流數值計算向大規模的數值模擬的更高階段發展。可以預料，隨著計算機的進步，湍流數值計算將有更大的發展。
湍流實驗
在可控的實驗條件下，利用各種測試儀器和數據處理系統，測量湍流的特徵參量或顯示流場。湍流實驗不僅可以直接取得有用的技術數據，而且是認識湍流結構，發展湍流新概念新模式的手段。20世紀30年代熱線風速儀的發明，使人們可以測量湍流的脈動速度，檢驗並發展理論和半經驗理論。50年代隨著電子儀器的完善，實驗側重於研究湍能的譜分布，特別是湍流的精細結構。60年代中期以後，由於改善了流場顯示技術，採用了條件採樣方法，發現不規則的湍流中存在著有一定秩序的大尺度相干結構。從此湍流相干結構成為湍流實驗的新課題。（見湍流理論，湍流數值計算，湍流實驗）
參考文獻
J. 0. Hinze， Turbulence, 2nd ed., McGraw-Hill, New York，1975.
