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一、流速分布及计算自然界中的水流大部分是湍流。
湍流是一种高度复杂的非线性流体运动，在空间中不规则、时间上无秩序，具有在运动过程中液体质点不断混掺的运动特性。
实际中流速计算一般根据实测数据进行推导，具有代表性的是“六点测流法”，2014年之后，声学多普勒流速剖面仪开始被采用，随后有部分学者提出了相应的“多点法测速计算”。
水流由于受到层间切应力的作用，其流速沿水深而变化，河底流速小，水面流速大，河底流速受河床的粘滞作用，基本为零。
理论上水流流速由下往上可分成直线层、过渡层、对数区和外层区，其相应的计算公式如下：(一) 直线层水流为层流（层流是流体的一种流动状态，它作层状的流动。
流体在管内低速流动时呈现为层流，其质点沿着与管轴平行的方向作平滑直线运动。
流体的流速在管中心处最大，其近壁处最小。
管内流体的平均流速与最大流速之比等于0.5。
），只受粘滞切应力，此时流速可按下式计算：μy=√ghJJ：水力坡度；0≤y<0.5%。
水力坡度，又称比降，是指河流水面单位距离的落差，常用百分比、千分比、万分比表示。
(二) 过渡层水流由层流向紊流过度，既受粘滞切应力，又受紊动切应力。
计算方法：近似按照直线层或者对数层公式计算。
（三）对数区水流为紊流，主要受紊动切应力影响，流速分布呈对数曲线规律,一般计算公式如下：uμy=A∙lgy+B其中A和B是系数，与床面粗糙情况有关，通过实际资料确定，y为计算点至河床的距离。
爱因斯坦提出的具体计算公式如下:μμy =5.75lg(30.2yk sx)其中k s为床面粗糙高度，可取床沙代表粒径；x为反映对流速分布实际影响的系数，与k sδ值有关；δ:为近壁层流层的厚度。
直线层、过度层、对数区合称为内层区，区内流速分布主要受床面的影响。
（四）外层区水流为紊流，其流速分布除受床面的影响外，还要受到上游来流条件和上部边界条件的影响，因而其分布规律偏离对数曲线而有一流速增值，计算公式的一般计算形式为：μμ∗=A∙lgy+B+πk∙ω(yh)式中，π为尾迹强度系数；k为卡门常数；ω为函数符号；π和k通过实测资料确定。
层流与紊流层流科技名词定义中文名称:层流英文名称:laminar flow定义1:流体中液体质点彼此互不混杂，质点运动轨迹呈有条不紊的线状形态的流动。
在河渠流动中当雷诺数小于500,2 000时出现，而在多孔介质中流动时，在当雷诺数小于1,10时出现。
应用学科:地理学(一级学科);水文学(二级学科)定义2:黏性流体低速运动时质点的层状流动。
应用学科:电力(一级学科);通论(二级学科)定义3:黏性流体质点互不掺混，迹线有条不紊、层次分明的流动。
应用学科:航空科技(一级学科);飞行原理(二级学科)定义4:黏性流体的互不混掺的层状运动。
应用学科:水利科技(一级学科);水力学、河流动力学、海岸动力学(二级学科);水力学(水利)(三级学科)本内容由全国科学技术名词审定委员会审定公布求助编辑百科名片层流层流是流体的一种流动状态。
流体在管内流动时，其质点沿着与管轴平行的方向作平滑直线运动。
此种流动称为层流或滞流，亦有称为直线流动的。
流体的流速在管中心处最大，其近壁处最小。
管内流体的平均流速与最大流速之比等于0.5，根据雷诺实验，当雷诺准数引Re<2320时，流体的流动状态为层流。
粘性流体的层状运动。
在这种流动中，流体微团的轨迹没有明显的不规则脉动。
相邻流体层间只有分子热运动造成的动量交换。
常见的层流有毛细管或多孔介质中的流动、轴承润滑膜中的流动、绕流物体表面边界层中的流动等。
目录相关计算举例说明编辑本段相关计算层流只出现在雷诺数Re(Re,ρUL,μ)较小的情况中，即流体密度ρ、特征速度U和物体特征长度L都很小，或流体粘度μ很大的情况中。
当Re超过某一临界雷诺数Recr时，层流因受扰动开始向不规则的湍流过渡，同时运动阻力急剧增大。
临界雷诺数主要取决于流动形式。
对于圆管，Recr?2000，这里特征速度是圆管横截面上的平均速度，特征长度是圆管内径。
层流远比湍流简单，其流动方程大多有精确解、近似解和数值解。
三维圆管流动状况的数值模拟分析在工程和生活中，圆管内的流动是最常见也是最简单的一种流动，圆管流动有层流和紊流两种流动状况。
层流，即液体质点作有序的线状运动，彼此互不混掺的流动；紊流，即液体质点流动的轨迹极为紊乱，质点相互掺混、碰撞的流动。
雷诺数是判别流体流动状态的准则数。
本研究用CFD 软件来模拟研究三维圆管的层流和紊流流动状况，主要对流速分布和压强分布作出分析。
1 物理模型三维圆管长2000mm l =，直径100mm d =。
流体介质：水，其运动粘度系数62110m /s ν-=⨯。
Inlet ：流速入口，10.005m /s υ=，20.1m /s υ= Outlet ：压强出口Wall ：光滑壁面，无滑移2 在ICEM CFD 中建立模型2.1 首先建立三维圆管的几何模型Geometry2.2 做Blocking因为截面为圆形，故需做“O ”型网格。
2.3 划分网格mesh注意检查网格质量。
在未加密的情况下，网格质量不是很好，如下图因管流存在边界层，故需对边界进行加密，网格质量有所提升，如下图2.4 生成非结构化网格，输出fluent.msh等相关文件3 数值模拟原理3.1 层流流动当水流以流速10.005m /s υ=，从Inlet 方向流入圆管，可计算出雷诺数500υdRe ν==，故圆管内流动为层流。
假设水的粘性为常数（运动粘度系数62110m /s ν-=⨯）、不可压流体，圆管光滑，则流动的控制方程如下：①质量守恒方程：()()()0u v w t x y zρρρρ∂∂∂∂+++=∂∂∂∂ (1-1)②动量守恒方程：()()()()()()()u uu uv uw u u u pt x y z x x y y z z x ρρρρμμμ∂∂∂∂∂∂∂∂∂∂∂+++=++-∂∂∂∂∂∂∂∂∂∂∂ (1-2)()()()()()()()v vu vv vw v v v pt x y z x x y y z z y ρρρρμμμ∂∂∂∂∂∂∂∂∂∂∂+++=++-∂∂∂∂∂∂∂∂∂∂∂ (1-3)()()()()()()()w wu wv ww w w w p t x y z x x y y z z zρρρρμμμ∂∂∂∂∂∂∂∂∂∂∂+++=++-∂∂∂∂∂∂∂∂∂∂∂ (1-4)式中，ρ为密度，u 、ν、w 是流速矢量在x 、y 和z 方向的分量，p 为流体微元体上的压强。
紊流的沿程阻力系数
(In-Stream order resistance coefficient K_2)
可以使用静力学理论来计算沿流阻力系数K_2。
静力学理论是一种物理学的分析方法，它以流体的压力分配为基础，用于研究流体的结构以及流体之间的相互作用。
根据静力学原理，沿程阻力系数K_2表示流体在不同压力之间流动时产生的阻力程度，压力加上K_2为流体运动的最终结果。
K_2系数受流体流经的形状、粗糙度和不同材料等多种因素的影响，因此K_2值会随着外力及流体运动速度的变化而不同。
一般来说，K_2值越小，表明沿程抗力越弱，流体流动越容易。
第六章流动阻力及能量损失本章主要研究恒定流动时，流动阻力和水头损失的规律。
对于粘性流体的两种流态——层流与紊流，通常可用下临界雷诺数来判别，它在管道与渠道内流动的阻力规律和水头损失的计算方法是不同的。
对于流速，圆管层流为旋转抛物面分布，而圆管紊流的粘性底层为线性分布，紊流核心区为对数规律分布或指数规律分布。
对于水头损失的计算，层流不用分区，而紊流通常需分为水力光滑管区、水力粗糙管区及过渡区来考虑。
本章最后还阐述了有关的边界层、绕流阻力及紊流扩散等概念。
第一节流态判别一、两种流态的运动特征1883年英国物理学家雷诺（Reynolds O.）通过试验观察到液体中存在层流和紊流两种流态。
1.层流观看录像1-层流层流（laminar flow），亦称片流：是指流体质点不相互混杂，流体作有序的成层流动。
特点：（1）有序性。
水流呈层状流动，各层的质点互不混掺，质点作有序的直线运动。
（2）粘性占主要作用，遵循牛顿内摩擦定律。
（3）能量损失与流速的一次方成正比。
（4）在流速较小且雷诺数Re较小时发生。
2.紊流观看录像2－紊流紊流（turbulent flow），亦称湍流：是指局部速度、压力等力学量在时间和空间中发生不规则脉动的流体运动。
特点：（1）无序性、随机性、有旋性、混掺性。
流体质点不再成层流动，而是呈现不规则紊动，流层间质点相互混掺，为无序的随机运动。
（2）紊流受粘性和紊动的共同作用。
（3）水头损失与流速的1.75~2次方成正比。
（4）在流速较大且雷诺数较大时发生。
二、雷诺实验如图6-1所示，实验曲线分为三部分：（1）ab段：当υ<υc时，流动为稳定的层流。
（2）ef段：当υ>υ''时，流动只能是紊流。
（3）be段：当υc<υ<υ''时，流动可能是层流（bc段），也可能是紊流（bde段），取决于水流的原来状态。
图6-1图6-2观看录像3观看录像4观看录像5实验结果（图6-2）的数学表达式层流：m1=1.0, h f=k1v , 即沿程水头损失与流线的一次方成正比。
湍流量的指定方法
湍流强度I定义为相对于平均速度u_avg的脉动速度u^'的均方根。
小于或等于1%的湍流强度通常被认为低强度湍流，大于10%被认为是高强度湍流。
从外界，测量数据的入口边界，你可以很好的估计湍流强度。
例如：如果你模拟风洞试验，自由流的湍流强度通常可以从风洞指标中得到。
在现代低湍流风洞中自由流湍流强度通常低到0.05%。
.
对于内部流动，入口的湍流强度完全依赖于上游流动的历史，如果上游流动没有完全发展或者没有被扰动，你就可以使用低湍流强度。
如果流动完全发展，湍流强度可能就达到了百分之几。
完全发展的管流的核心的湍流强度可以用下面的经验公式计算：
例如，在雷诺数为50000是湍流强度为4%
湍流尺度l是和携带湍流能量的大涡的尺度有关的物理量。
在完全发展的管流中，l被管道的尺寸所限制，因为大涡不能大于管道的尺寸。
L和管的物理尺寸之间的计算关系如下：
l07
L
=
.0
其中L为管道的相关尺寸。
因子0.07是基于完全发展湍流流动混合长度的最大值的，对于非圆形截面的管道，你可以用水力学直径取代L。
如果湍流的产生是由于管道中的障碍物等特征，你最好用该特征长度作为湍流长度L而不是用管道尺寸。
注意：公式L
l07
=并不是适用于所有的情况。
它只是在大多
.0
数情况下得很好的近似。
对于特定流动，选择L和l的原则如下：对于完全发展的内部流动，选择强度和水力学直径指定方法，并在水力学直径流场中指定L=D_H。
对于旋转叶片的下游流动，穿孔圆盘等，选择强度和水力学直径指定方法，并在水力学直径流场中指定流动的特征长度为L 对于壁面限制的流动，入口流动包含了湍流边界层。
选择湍流强度和长度尺度方法并使用边界层厚度d_99来计算湍流长度尺度l，在湍流长度尺度流场中输入l=0.4d_99这个值
湍流粘性比m_t/m直接与湍流雷诺数成比例(Re_t?k^2/(e n))。
Re_t在高湍流数的边界层，剪切层和完全发展的管流中是较大的(100到1000)。
然而，在大多数外流的自由流边界层中m_t/m相当的小。
湍流参数的典型设定为1<m_t/m<10。
要根据湍流粘性比来指定量，你可以选择湍流粘性比（对于Spalart-Allmaras模型）或者强度和粘性比（对于k-e模型或者RSM）。
推导湍流量的关系式
要获得更方便的湍流量的输运值，如：I,L,或者m_t/m，你必
须求助于经验公式，下面是FLUENT中常用的几个有用的关系式。
要获得修改的湍流粘性，它和湍流强度I长度尺度l有如下关系：
在Spalart-Allmaras模型中，如果你要选择湍流强度和水力学直径来计算l可以从前面的公式中获得。
湍动能k和湍流强度I之间的关系为：
其中u_avg为平均流动速度
除了为k和e指定具体的值之外，无论你是使用湍流强度和水力学直径，强度和长度尺度或者强度粘性比方法，你都要使用上述公式。
如果你知道湍流长度尺度l你可以使用下面的关系式：
其中C
是湍流模型中指定的经验常数（近似为0.09），l的公式在
µ
前面已经讨论了。
除了为k和e制定具体的值之外，无论你是使用湍流强度和水力学直径还是强度和长度尺度，你都要使用上述公式。
E的值也可以用下式计算，它与湍流粘性比m_t/m以及k有关：
其中C
是湍流模型中指定的经验常数（近似为0.09）。
µ
除了为k 和e 制定具体的值之外，无论你是使用湍流强度和水力学直径还是强度和长度尺度，你都要使用上述公式。
如果你是在模拟风洞条件，在风洞中模型被安装在网格和/或金属网格屏下游的测试段，你可以用下面的公式：
∞
∞
∆≈L kU ε其中，k ∆是你希望的在穿过流场之后k 的衰减(比方说k 入口值的10%),U ∞自由流的速度L ∞是流域内自由流的流向长度
Equation 9是在高雷诺数各向同性湍流中观察到的幂率衰减的线性近似。
它是基于衰减湍流中k 的精确方程U ?k/?x =-e.
如果你用这种方法估计e ，你也要用方程7检查结果的湍流粘性比m_t/m ，以保证它不是太大。
虽然这不是FLUENT 内部使用的方法，但是你可以用它来推导e 的常数自由流值，然后你可以用湍流指定方法下拉菜单中选择K 和Epsilon 直接指定。
在这种情况下，你需要使用方程3从I 来计算k 。
当使用RSM 时，如果你不在雷诺应力指定方法的下拉列表中使用雷诺应力选项，明显的制定入口处的雷诺应力值，它们就会近似的由k 的指定值来决定。
湍流假定为各向同性，保证0
=j i u u 以及
k u u 3
2=αα(下标a 不求和).
如果你在雷诺应力指定方法下拉列表中选择K或者湍流强度，FLUENT就会使用这种方法。
对大涡模拟（LES）指定入口湍流
大涡模拟模型一节中所描述的LES速度入口中指定的的湍流强度值，被用于随机扰动入口处速度场的瞬时速度。
它并不指定被模拟的湍流量。
正如大涡模拟模型中介绍的边界条件中所描述的，通过叠加每个速度分量的随机扰动来计算流动入口边界处的随机成分.。
