《湍流及轉捩》課件

湍流及轉捩探討流體湍流及其轉捩過程,了解影響湍流強度和轉捩的關鍵因素。分析湍流流動特性對多個工程領域的重要影響。緒論本節(jié)將介紹湍流的基本定義、重要性以及研究的目的,為后續(xù)的深入探討打下基礎。湍流是一種隨機、非線性、三維的復雜流動現(xiàn)象,其廣泛存在于自然界和工程實踐中,對多個領域的發(fā)展有著重要影響。湍流的定義復雜的流動現(xiàn)象湍流是一種復雜的流動現(xiàn)象,與層流相比,具有明顯的隨機性和三維性。紊亂的流場湍流流場中的速度、壓力、密度等物理量都在時間和空間上發(fā)生隨機而劇烈的變化。特征尺度譜湍流流場中存在大小不一的渦旋結構,呈現(xiàn)出廣泛的特征尺度范圍。能量耗散湍流運動過程中,動能會通過粘性耗散轉化為內能,從而引起溫度升高。湍流的重要性飛行器設計湍流在飛機設計中扮演關鍵角色,影響升力、阻力和穩(wěn)定性。準確預測湍流特性至關重要。天氣預報湍流影響著大氣環(huán)流,準確預報湍流對于提高天氣預報精度至關重要。能源利用湍流會影響風電渦輪機的性能,深入了解湍流有助于提高風電機組的發(fā)電效率。湍流研究的目的深入了解湍流現(xiàn)象湍流研究旨在揭示湍流的基本物理機制,為更好地認識和預測湍流現(xiàn)象提供理論依據(jù)。提高工程應用中的精度湍流的分析和模擬能幫助提高各種工程應用中的預測精度,如航空、機械、化工等領域。探索湍流控制技術湍流研究為開發(fā)新的湍流控制技術提供理論基礎,有助于提高工程系統(tǒng)的性能和效率。湍流基本特征湍流具有一系列獨特的基本特征,包括隨機性、非線性、三維性和渦動等。了解這些特征有助于我們更好地理解湍流的復雜性和行為規(guī)律。湍流的隨機性不可預測性湍流是一種復雜的流動狀態(tài),其流場變化極其復雜和不可預測。即使在相同的邊界條件下,同樣的流動也可能表現(xiàn)出完全不同的行為。多尺度特性湍流流動涉及廣泛的時間和空間尺度,從最大的能量注入尺度到最小的耗散尺度。這種多尺度特性使得湍流的預測和控制變得極其困難。湍流的非線性高度動態(tài)性湍流流動存在大小和時間尺度相差幾個數(shù)量級的渦旋結構,這種高度動態(tài)性體現(xiàn)了湍流的非線性特征。耗散特性湍流流動中大渦會不斷分裂成小渦,最終通過分子黏滯作用耗散為熱能,這也是湍流非線性的重要體現(xiàn)。反饋機制湍流的非線性還表現(xiàn)為小擾動會引發(fā)流動整體的劇烈變化,體現(xiàn)了湍流的強烈反饋機制。湍流的三維性空間特征湍流流動具有三維特征,流場中的壓力、速度、湍流強度等參數(shù)都隨空間位置而發(fā)生變化。這種三維性使得湍流難以用二維模型進行準確描述。旋轉運動湍流流動中存在大小不同的渦旋結構,這些渦旋具有復雜的三維旋轉運動特性,驅動著湍流的混合和耗散過程。渦動特性湍流流動中的速度渦動和壓力渦動都表現(xiàn)出強烈的三維性,這是造成湍流復雜性和隨機性的根源。尺度變化從大尺度的湍流結構到小尺度的渦漩,湍流流場中存在著多種不同尺度的三維流動特征。這些尺度變化也是湍流研究的重點。湍流的渦動渦量分布湍流流場中存在著大小不一的渦流結構,渦量分布反映了湍流的隨機性和三維性。渦流級聯(lián)大渦流逐步分裂為越來越小的渦流,能量在不同尺度渦流之間級聯(lián)傳遞。渦細化機制剪切力和耗散作用使渦流不斷分裂,最終轉化為熱量消失。這是湍流演化的基本機制。湍流的描述方法湍流是一種復雜的流動現(xiàn)象,需要使用數(shù)學模型來進行描述和研究。以下將介紹常用的湍流描述方法。雷諾方程雷諾平均量雷諾平均量是描述湍流流動的關鍵參數(shù),包括速度、壓力和應力的時平均值。它們捕捉了湍流流動的整體特征。雷諾應力雷諾應力描述了湍流脈動運動對平均流動的影響。它們代表了湍流動量傳輸?shù)臋C制,是湍流模型的基礎。雷諾方程推導通過對瞬時NavierStokes方程進行時間平均,可以得到描述湍流流動的雷諾平均NavierStokes方程,即雷諾方程。湍流統(tǒng)計量1平均量通過時間或空間平均來獲得代表流場的平均速度、壓力和其他物理量。2湍流脈動量湍流流場的瞬時值與平均值之差,反映了湍流運動的不確定性。3湍流強度湍流脈動量與平均流速之比,量化了湍流的劇烈程度。4湍流應力由于湍流脈動而產生的應力項,體現(xiàn)了湍流對平均流場的影響。湍流能量方程湍流能量湍流能量反映了湍流脈動的強度，是研究和分析湍流的重要物理量。能量方程湍流能量方程通過收支分析描述了湍流能量的產生、傳輸和耗散過程。動能和耗散湍流動能的產生和耗散是湍流演化的關鍵過程，通過該方程可以分析其機理。湍流的演化過程了解湍流從層流發(fā)展到湍流的過程,以及自由剪切層與壁面湍流的形成和發(fā)展,對于預測和控制湍流流動是至關重要的。層流到湍流的轉捩1初始擾動原本穩(wěn)定的層流在初始微小擾動的作用下開始出現(xiàn)不穩(wěn)定性。2線性不穩(wěn)定性隨著時間的推移,擾動逐漸放大,層流的穩(wěn)定性被破壞。3湍流發(fā)展最終擾動導致層流斷裂,湍流結構開始形成并逐步成熟。自由剪切層湍流的發(fā)展1渦動啟動剪切力的作用導致流動場發(fā)生動蕩和擾動2湍流邊界層邊界層中渦旋增強使流動呈現(xiàn)湍流特征3湍流擴散湍流的橫向擴散使整個剪切層充滿湍流自由剪切層流動會隨剪切力的作用發(fā)展為湍流狀態(tài)。首先在邊界層內部出現(xiàn)渦動擾動,然后這些渦動逐漸增強并占據(jù)整個剪切層,最終形成充滿湍流特征的流動。這一過程體現(xiàn)了湍流發(fā)展的典型特點：從局部擾動到整體湍化的轉變。壁面湍流的發(fā)展1初始湍流起源于邊界層內部微小擾動2湍流爆發(fā)小擾動逐漸增大并演變?yōu)橥牧靼邏K3湍流擴散湍流斑塊向外擴散直至占據(jù)整個邊界層壁面湍流的發(fā)展過程通常分為三個階段:初始湍流、湍流爆發(fā)和湍流擴散。起源于邊界層內部微小擾動的初始湍流逐漸增強并發(fā)展成湍流斑塊,最終占據(jù)整個邊界層。該過程是湍流形成和發(fā)展的典型特征。湍流模型建立湍流模型對于準確預測和分析湍流流動至關重要。以下介紹幾種常見的湍流模型及其特點。代數(shù)湍流模型簡潔高效代數(shù)湍流模型利用代數(shù)關系直接計算湍流量,結構簡單且計算效率高。經驗參數(shù)模型通過對實驗數(shù)據(jù)的擬合獲得經驗系數(shù),需要大量試驗數(shù)據(jù)支持。應用廣泛代數(shù)湍流模型應用于工程實踐中,計算簡單高效,能夠較好地預測湍流流場。一方程湍流模型基于動能方程一方程湍流模型根據(jù)湍動能方程構建,通過湍動能變量預測湍流動力學。相比于代數(shù)模型,能更好地描述湍流隨時間和空間的變化。改進紊動粘性一方程模型引入了紊動粘性概念,并通過求解湍動能方程確定其數(shù)值,從而更準確地模擬湍流場。計算效率高相比于兩方程模型,一方程模型計算量小,實現(xiàn)簡單,在某些工程應用中具有應用優(yōu)勢。兩方程湍流模型k-ε模型k-ε模型是最常用的兩方程湍流模型之一,它包含湍動能(k)和湍動能耗散率(ε)兩個方程。該模型能夠較準確地預測多種湍流流動,適用于大多數(shù)工程應用。k-ω模型k-ω模型是另一種經典的兩方程湍流模型,它包含湍動能(k)和湍流頻率(ω)兩個方程。與k-ε模型相比,k-ω模型在近壁區(qū)預測精度更高,適用于復雜流動。SST模型SST(ShearStressTransport)模型結合了k-ε模型和k-ω模型的優(yōu)點,能夠在近壁區(qū)和遠壁區(qū)都得到較好的預測結果。該模型對于復雜流動和分離流有較好的適用性。優(yōu)缺點比較k-ε模型適用范圍廣,計算較快,但在復雜流動和分離流場的預測精度有限k-ω模型在近壁區(qū)預測精度更高,但對初始條件依賴性較強SST模型綜合了k-ε和k-ω的優(yōu)點,能較準確地預測復雜流動,但計算量較大雷諾應力模型1基于湍流動量方程雷諾應力模型基于對湍流動量方程的分析和建立,可以更好地描述湍流流動。2建模湍流應力相比于代數(shù)模型和一方程模型,雷諾應力模型通過建模湍流應力項來更準確地描述湍流行為。3豐富的湍流信息雷諾應力模型可以提供關于湍流強度、湍流動能等更豐富的湍流信息。4復雜但精確雷諾應力模型需要求解更多的偏微分方程,計算復雜度較高,但可以獲得更精確的結果。湍流的數(shù)值模擬湍流是一種復雜的多尺度、非線性流動現(xiàn)象,直接數(shù)值模擬和大渦模擬等數(shù)值方法在模擬湍流流動中發(fā)揮著重要作用。直接數(shù)值模擬原理與方法直接數(shù)值模擬通過直接解決Navier-Stokes方程的數(shù)值方法,無需采用湍流模型,能夠更準確地捕捉湍流的全部流動細節(jié)。應用場景該方法適用于研究湍流中復雜的流動物理過程,如邊界層、湍流粘性、湍流發(fā)展過程等,是深入認識湍流機理的有力工具。計算要求由于需要解決包含所有湍流耗散尺度的Navier-Stokes方程,直接數(shù)值模擬對計算資源有很高的要求,通常只適用于簡單的流場。大渦模擬全尺度模擬大渦模擬(LES)可以解析湍流的所有尺度,比直接數(shù)值模擬(DNS)計算量小得多。動量傳輸建模LES通過建立亞格子尺度應力