《湍流及轉(zhuǎn)捩》課件

湍流及轉(zhuǎn)捩歡迎來(lái)到《湍流及轉(zhuǎn)捩》課程。本課程將深入探討流體力學(xué)中這一復(fù)雜而fascinating的領(lǐng)域，揭示湍流的奧秘及其在工程應(yīng)用中的重要性。課程綱要1湍流基礎(chǔ)探討湍流的定義、特點(diǎn)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(jié)構(gòu)、方程及其應(yīng)用。3轉(zhuǎn)捩過(guò)程分析層流向湍流的轉(zhuǎn)變機(jī)制及影響因素。4測(cè)量與模擬介紹湍流測(cè)量技術(shù)和數(shù)值模擬方法。湍流的重要性工程應(yīng)用湍流在航空航天、海洋工程、氣象學(xué)等領(lǐng)域扮演著關(guān)鍵角色。能量傳遞湍流促進(jìn)了流體中的質(zhì)量、動(dòng)量和能量的快速交換。混合增強(qiáng)在化學(xué)反應(yīng)和燃燒過(guò)程中，湍流顯著提高了混合效率。湍流的特點(diǎn)隨機(jī)性湍流運(yùn)動(dòng)呈現(xiàn)出不規(guī)則和混沌的特征。旋渦結(jié)構(gòu)包含多尺度的旋渦，從大尺度到小尺度。強(qiáng)擴(kuò)散性湍流增強(qiáng)了流體中的傳質(zhì)、傳熱和動(dòng)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(guò)能量級(jí)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(jì)量平均速度描述流場(chǎng)的整體運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)。湍流強(qiáng)度表征速度波動(dòng)的劇烈程度。雷諾應(yīng)力反映湍流運(yùn)動(dòng)對(duì)平均流的影響。相關(guān)函數(shù)描述湍流運(yùn)動(dòng)的空間和時(shí)間關(guān)聯(lián)性。湍流邊界層1粘性底層緊貼壁面，粘性效應(yīng)占主導(dǎo)。2緩沖層粘性和慣性效應(yīng)共同作用的過(guò)渡區(qū)。3對(duì)數(shù)律區(qū)速度分布呈對(duì)數(shù)關(guān)系，慣性效應(yīng)占主導(dǎo)。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(dòng)平穩(wěn)，速度分布呈拋物線形。轉(zhuǎn)捩區(qū)層流向湍流過(guò)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(qiáng)。湍流邊界層方程組連續(xù)性方程描述質(zhì)量守恒。動(dòng)量方程考慮雷諾應(yīng)力項(xiàng)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(guò)渡機(jī)理1初始擾動(dòng)2線性增長(zhǎng)3非線性相互作用4湍流斑點(diǎn)形成邊界層從層流向湍流的轉(zhuǎn)變是一個(gè)復(fù)雜的過(guò)程，涉及多種不穩(wěn)定性機(jī)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(jì)算。2300管道臨界雷諾數(shù)基于管道直徑和平均流速計(jì)算。10^6翼型臨界雷諾數(shù)基于翼弦長(zhǎng)度計(jì)算。管道內(nèi)流動(dòng)的轉(zhuǎn)捩1層流低雷諾數(shù)下，流動(dòng)呈拋物線速度分布。2間歇性湍流斑點(diǎn)開(kāi)始出現(xiàn)，但未充滿整個(gè)截面。3完全湍流高雷諾數(shù)下，流動(dòng)完全湍化。邊界層類型層流邊界層流體層間平行流動(dòng)，無(wú)明顯混合。過(guò)渡邊界層層流向湍流轉(zhuǎn)變的中間狀態(tài)。湍流邊界層充滿不規(guī)則渦旋，混合強(qiáng)烈。平面湍流邊界層速度分布近壁區(qū)呈線性，對(duì)數(shù)區(qū)呈對(duì)數(shù)分布。湍流強(qiáng)度在緩沖層達(dá)到最大值，向外逐漸減小。雷諾應(yīng)力在近壁區(qū)快速增加，對(duì)數(shù)區(qū)達(dá)到最大。湍流邊界層壓力梯度效應(yīng)順壓梯度加速流動(dòng)，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(dòng)，邊界層增厚，易分離。湍流邊界層分離分離點(diǎn)壁面剪應(yīng)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(diǎn)流動(dòng)重新貼附于壁面的位置。湍流邊界層熱傳遞熱傳導(dǎo)近壁區(qū)主導(dǎo)的熱傳遞機(jī)制。對(duì)流換熱湍流摻混增強(qiáng)了熱量傳遞。湍流熱通量描述湍流脈動(dòng)對(duì)熱量傳遞的貢獻(xiàn)。湍流邊界層控制減阻通過(guò)控制湍流結(jié)構(gòu)降低表面摩擦阻力。延遲分離增加邊界層動(dòng)能，抵抗不利壓力梯度。增強(qiáng)換熱促進(jìn)湍流混合，提高熱傳遞效率。主動(dòng)控制方法吸吹控制通過(guò)壁面吸氣或吹氣改變邊界層特性。振動(dòng)控制利用壁面振動(dòng)抑制或激發(fā)特定湍流結(jié)構(gòu)。等離子控制使用等離子體激勵(lì)器影響邊界層流動(dòng)。被動(dòng)控制方法翼型利用表面微結(jié)構(gòu)減少湍流摩擦阻力。渦流發(fā)生器產(chǎn)生縱向渦，增強(qiáng)動(dòng)量交換。凹坑通過(guò)表面幾何改變局部流動(dòng)結(jié)構(gòu)。流動(dòng)測(cè)量技術(shù)激光多普勒測(cè)速法工作原理利用散射粒子的多普勒頻移測(cè)量流速。優(yōu)點(diǎn)非接觸、高精度、可測(cè)三維速度分量。應(yīng)用廣泛用于復(fù)雜流動(dòng)的精細(xì)結(jié)構(gòu)測(cè)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(jì)算精度和計(jì)算成本可分為三個(gè)層次。DNS精度最高但計(jì)算量大，RANS計(jì)算量小但精度較低，LES介于二者之間。雷諾平均方程時(shí)間平均將流動(dòng)變量分解為平均值和脈動(dòng)值。雷諾應(yīng)力引入湍流脈動(dòng)產(chǎn)生的附加應(yīng)力項(xiàng)。封閉問(wèn)題需要引入湍流模型來(lái)封閉方程組。湍流模型代數(shù)模型如混合長(zhǎng)度模型，簡(jiǎn)單但適用性有限。一方程模型如Spalart-Allmaras模型，計(jì)算效率高。兩方程模型如k-ε和k-ω模型，應(yīng)用廣泛。雷諾應(yīng)力模型直接求解雷諾應(yīng)力輸運(yùn)方程，精度高但復(fù)雜。k-ε模型湍動(dòng)能k描述單位質(zhì)量流體的湍流脈動(dòng)動(dòng)能。耗散率ε表征湍動(dòng)能耗散為熱能的速率。應(yīng)用廣泛用于工程湍流流動(dòng)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(dòng)。過(guò)渡區(qū)使用混合函數(shù)平滑過(guò)渡。遠(yuǎn)場(chǎng)轉(zhuǎn)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(dòng)的普適性規(guī)律橋接壁面和湍流核心區(qū)。優(yōu)點(diǎn)減少近壁區(qū)網(wǎng)格數(shù)量，降低計(jì)算成本。局限性在復(fù)雜流動(dòng)中可能導(dǎo)致精度降低。大渦模擬濾波將湍流運(yùn)動(dòng)分為大尺度和小尺度。直接求解大尺度渦旋直接計(jì)算。亞格子模型模擬小尺度渦旋的效應(yīng)。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(jié)構(gòu)。計(jì)算挑戰(zhàn)需