第八章 强湍流理论

流体力学中的流体的湍流强度流体力学是研究物质的流动和力学行为的学科，对于理解和分析流体的湍流强度具有重要意义。

湍流强度是指流体运动中湍流所占主导地位的程度，对于很多工程和自然现象都有着重要影响。

本文将介绍流体力学中的流体湍流强度的概念、计算及应用。

一、湍流强度的概念湍流是流体在运动过程中出现的一种不规则的、混乱的流动状态。

相比于层流，湍流具有较高的能量耗散和混合效应，对于传质、传热、惯性效应等都有重要影响。

湍流强度则是描述湍流的能量传递和混合的指标。

它反映了流体运动中湍流的程度和波动性。

湍流强度的计算方法多种多样，可以通过直接测量、间接计算或数值模拟等多种途径获取。

其中，常用的方法包括雷诺数法、湍流能量法和湍流涡旋法等。

这些方法根据流场特征、湍流运动的统计规律和动力学方程等不同的原理，通过测量和计算流体中的速度、压力、温度等参数，来确定湍流强度的大小。

二、湍流强度的计算与模拟1. 分析湍流边界层的涡旋结构湍流边界层是工程领域中常见的湍流流动形态，涡旋是湍流边界层中的主要流动结构。

通过分析和计算湍流边界层中涡旋的数量、大小、时间尺度以及运动特征等，可以评估湍流边界层的湍流强度。

2. 雷诺平均法雷诺平均法是湍流强度计算中常用的方法之一。

它通过将流体速度分解为平均分量和湍流分量，并对湍流分量进行平均处理，得到平均速度场。

根据雷诺分解的理论和方法，可以计算湍流动能的大小，从而得到湍流强度的估计值。

3. 数值模拟方法数值模拟方法是现代流体力学研究中常用的手段之一，它通过数值计算和模拟，可以获取流体湍流运动的具体细节和特征。

数值模拟方法可以基于不同的数值模型和算法，提取湍流的平均速度、湍流涡旋、湍流能量等信息，从而计算湍流强度。

三、湍流强度的应用湍流强度的研究在很多领域都有广泛的应用，例如空气动力学、水动力学、冶金工程、环境流体力学等。

以下列举几个典型的应用案例：1. 湍流流场的数值模拟通过计算流体湍流运动的细节和特征，可以优化流动设计，改善能量传递和混合效应，提高流体系统的运行效率。

湍流理论学习1．层流和湍流粘性流体的运动存在着两种完全不同的流动状态：层流状态和湍流状态。

雷诺首先于1883年通过做圆管内流动实验观察到层流与湍流现象。

当圆管中流动速度较小时，管中的流线之间层次分明，互不掺混，这样的流动称为层流。

当流速增大后，流体作复杂、无规律、随机的不定常运动，称为湍流。

流动状态与雷诺数e R 、下临界雷诺数ec R 和上临界雷诺数ecR '有关。

当e ec R R ≤时，流动为层流；当ec e ec R R R '≤≤时，流动为不稳定过渡状态；当e ecR R '>时，流动为湍流。

湍流是在连续介质范畴内流体的不规则运动，它有别于物质分子的不规则运动。

具体来说，在极不规则的湍流中，流动的最小时间尺度和最小空间尺度都远远大于分子热运动的相应尺度。

因此湍流运动产生的质量和能量的输运将远远大于分子热运动产生的宏观输运。

2．湍流的平均化、雷诺粘性应力经典的湍流理论认为，湍流是一种完全不规则的随机运动，湍流场中的物理量在时间和空间上呈随机分布，不同的瞬时有不同的值，关注某个瞬时的值是没有意义的。

因此，雷诺首创用统计平均方法来描述湍流的随机运动，即对各瞬时量进行平均得到有意义的平均值。

从N-S 方程出发，利用平均化运算的法则推导平均物理量满足的方程组。

只考虑不可压缩流体情形，假设体力可以忽略，此时，N-S 方程具有下列形式1110u u u u p u v w u t x y z x v v v v p u v w v t x y z y w w w w p u v w w t x y z z u v w x y z υρυρυρ∂∂∂∂∂⎧+++=-+∆⎪∂∂∂∂∂⎪∂∂∂∂∂⎪+++=-+∆⎪∂∂∂∂∂⎪⎨∂∂∂∂∂⎪+++=-+∆⎪∂∂∂∂∂⎪∂∂∂⎪++=⎪∂∂∂⎩(1) 运用(1)式中的连续性方程，运动方程可改写为2221110u u uv uw pu t x y z x v uv v vw pv t xy z y w uw vw w p w t x y z z u v w x y z υρυρυρ⎧∂∂∂∂∂+++=-+∆⎪∂∂∂∂∂⎪⎪∂∂∂∂∂+++=-+∆⎪∂∂∂∂∂⎪⎨∂∂∂∂∂⎪+++=-+∆⎪∂∂∂∂∂⎪∂∂∂⎪++=⎪∂∂∂⎩(2) 对方程组(2)中各式两边进行平均化运算，并利用平均化运算法则得到____22____22____221110u u uv uw u u v u w p ut x y z x y z x v uv v vw u v v v w p v t x y z x y z y w uw vw w u w v w w p w t x y z x y z z u v w x y z υρυρυρ⎧'''''∂∂∂∂∂∂∂∂++++++=-+∆∂∂∂∂∂∂∂∂'''''∂∂∂∂∂∂∂∂++++++=-+∆∂∂∂∂∂∂∂∂'''''∂∂∂∂∂∂∂∂++++++=-+∆∂∂∂∂∂∂∂∂∂∂∂++=∂∂∂⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎨⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎩(3) 考虑到方程组(3)的第四式，方程组(3)中的头三个方程可改写成另一种形式，把脉动项移到右边，得到()()()()____2____2u u v u w u u u u p u v w u t x y z x x y z v u v v w v v v v p u v w v t x y z y x y z w w w w p u v w w tx y z z ρρρρμρρρρμρρμ⎛⎫'∂- ⎪''''∂-∂-⎛⎫∂∂∂∂∂⎝⎭+++=-+∆+++⎪∂∂∂∂∂∂∂∂⎝⎭⎛⎫'∂- ⎪''''∂-∂-⎛⎫∂∂∂∂∂⎝⎭+++=-+∆+++⎪∂∂∂∂∂∂∂∂⎝⎭'∂-⎛⎫∂∂∂∂∂+++=-+∆+⎪∂∂∂∂∂⎝⎭()()____20w u w v w x y z u v w x y z ρρ⎧⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎨⎪⎛⎫⎪'∂- ⎪⎪'''∂-⎝⎭++⎪∂∂∂⎪⎪∂∂∂⎪++=∂∂∂⎪⎩(4)将上式和应力形式的运动方程对比d div dtρ=VP 其中P 是应力张量，则有2p μ'=-++P I S P其中I 是单位张量。

探讨湍流强度定理和湍流发展的宏观机制【摘要】随着经济的快速增长，人们对于湍流这方面的知识也在不断的进步中,但是对于湍流这方面所产生的科学现象还是没有更加完善的解释的，所以,本文就从探讨湍流强度定理和湍流发展的宏观机制这方面来研究。

【关键词】湍流强度定理；湍流发展；宏观机制一、前言当今社会中,在对于湍流这方面的认识是证明科学在不断进步的依据，湍流这个科学名词出现以来，解释了很多以前解释不了的科学现象，湍流发展在宏观机制下有很大的提高，相信随着科学家在这方面的努力，湍流这项技术还会有很大的进步的。

二、风电机组机位湍流强度计算方法及其所适用的风电场1、环境湍流空气中湍流是指风速、风向及其垂直分量的迅速扰动或不规律性。

湍流产生的原因主要是，由于地形差异（例如山峰），当空气流动时与地表的―摩擦‖以及由于空气密度差异和气温变化的热效应。

湍流强度是脉动风速（瞬时风速与平均风速的差）的均方差σ与平均风速v的比值：根据最新IEC标准，当IT>0.18时，表明湍流处于较高水平；当IT<0.14时，湍流处于较低水平。

由于在此计算中完全采用测风塔数据计算风电场湍流强度，而没有考虑风电机组之间的影响，甚至也不考虑风电机组所处地形条件影响，因此在风电场评估中这里的IT叫做环境湍流。

一个风电场，通常由几台、几十台甚至上百台风电机组组成，通过风电场微观选址，所有机位被固定下来。

然后根据风况条件，通常要对这些机位进行安全性分析，包括极大风速、湍流等，这些指标通常为风电机组生产厂家所重视。

因此，不考虑机组之间的影响，以环境湍流的大小来说明风电机组机位湍流实际上只适用于个别情况。

在一些地形平坦、风向单一的风电场内，风电机组呈单排分布，并且近似垂直主风向，如图1、图2所示，此时环境湍流一定程度上反映风电机组机位湍流强度的大小。

图1为中国东南沿海某风电场风向风能玫瑰，该风电场可近似归类于上述情况。

图１中国东南沿海某风电场风向风能玫瑰图2风向及风电机组布置示意图2、厂商对风电机组机位湍流强度的计算方法风电机组生产厂商出于对机组的安全性考虑，通常要对机位湍流强度进行复核计算，作为是否适合此类风电机组的依据。

《湍流基础知识的综合性概述》一、引言湍流是自然界和工程技术领域中普遍存在的一种复杂流动现象。

从大气中的风云变幻到海洋中的波涛汹涌，从飞机在天空中的飞行到管道中流体的流动，湍流无处不在。

对湍流的研究不仅具有重要的理论意义，还对众多工程领域的发展起着至关重要的作用。

本文将对湍流的基础知识进行全面的阐述与分析，包括基本概念、核心理论、发展历程、重要实践以及未来趋势。

二、基本概念1. 定义湍流是一种高度复杂的三维非定常流动，其特征是流体的速度、压力等物理量在时间和空间上呈现出随机的、不规则的变化。

与层流相比，湍流具有更高的雷诺数，流体质点的运动更加混乱和无序。

2. 特征（1）随机性：湍流中的流体质点运动具有很大的随机性，速度和压力等物理量的变化无法用确定的函数来描述。

（2）三维性：湍流是三维的流动，在三个方向上都存在着复杂的运动。

（3）非定常性：湍流的流动状态随时间不断变化，具有很强的时间依赖性。

（4）扩散性：湍流能够促进流体中物质和能量的混合与扩散。

3. 雷诺数雷诺数是判断流体流动状态的重要参数。

当雷诺数小于某一临界值时，流体为层流；当雷诺数大于临界值时，流体可能转变为湍流。

雷诺数的计算公式为：$Re=\frac{\rho vL}{\mu}$，其中$\rho$为流体密度，$v$为流体速度，$L$为特征长度，$\mu$为流体动力粘度。

三、核心理论1. 统计理论由于湍流的随机性，统计理论成为研究湍流的重要方法之一。

统计理论通过对湍流中物理量的统计平均来描述湍流的特性，如平均速度、脉动速度、雷诺应力等。

常用的统计方法包括相关分析、谱分析等。

2. 湍流模型为了在工程计算中模拟湍流流动，人们提出了各种湍流模型。

湍流模型主要分为两大类：一类是基于雷诺平均的湍流模型，如$k-\epsilon$模型、$k-\omega$模型等；另一类是大涡模拟（LES）和直接数值模拟（DNS）。

雷诺平均的湍流模型通过对湍流脉动进行统计平均，将湍流问题转化为求解平均流动方程和湍流模型方程的问题。