科普：湍流基本概念介绍

湍流问题是力学乃至物理科学中最困难的问题之一，曾被称为“经典物理学最后的疑团”。相传量子理论家海森堡临终时表示，他要带两个问题去见上帝：相对论和湍流；并断言：“我相信上帝也只能回答第一个问题”。

湍流的复杂性在于：湍流是一种在任一空间点的瞬时物理量都在作剧烈变化的随机运动，在湍流中存在无序的小尺度脉动结构和具有某种次序的大尺度旋涡结构（拟序结构）的复合结构。

自从 1883 年英国学者 Reynolds 在实验中发现了湍流发生的规律以来，湍流研究在一百二十多年里的取得了重要的突破，如普朗特的半经验混合长度理论、泰勒的统计理论和均匀各向同性湍流理论、卡尔曼-霍沃思方程、科尔莫高洛夫局部各向同性湍流理论等。

湍流普遍存在于星际、大气、海洋、江河等自然现象和飞行器尾流、燃烧器燃烧、血液流动等工程实际中

2.1 星际气云

美国国家宇航局的“哈勃”太空望远镜拍摄的星际气云湍流风暴。这是天鹅星云的一小块区域（位于人马座方向，距地球约 5500 光年），它显示的是由炽热的氢气和其它少量如氧或硫元素组成的泡沫海洋，是宇宙中的一种典型气云湍流风暴。

2.2 瀑布

滚滚黄河水奔腾而下，气势磅礴，这正是江河剧烈湍流运动的典型体现

2.3 飓风与海啸

飓风泛指具有狂风和任何热带气旋以及风力达 12 级的任何大风（风速达到 33 米/秒以上），通常还伴随着暴雨；

海啸是由震源在海底下 50 千米以内、里氏震级 6.5 以上的海底地震引起的湍流海浪

2.4 飞行器尾流与燃烧室火焰

飞行器表面的边界层和尾流内的运动、燃气轮机燃烧室中的传热和燃烧过程都属于湍流运动。

湍流的出现将使流体中的质量、动量和能量的输运速度大大加快，从而引起各种机械的阻力骤增，效率下降，能耗加大，噪音增强，结构振颤加剧乃至破坏，如使飞行器坠落，输油管阻塞。

另一方面，湍流又可能加速喷气燃烧器内油料的混合和充分燃烧，提高燃烧效率和热交换效率，加快化学反应的速度和混合过程。

2008 年 9 月美国《探索》杂志报道了 10 组肉眼难以观察到的湍流运动，涵盖了各个角度湍流“现形”后所呈现出的景象

3.1 切变速度

当不同密度的气体以相对较高的速度移动时，就会形成羽翼丰满的湍流。一种气体的密度是另一种的 2.5 倍，在相对移动速度达到每小时 611 公里时，它们就会变成湍流。

弗吉尼亚理工学院机械工程学副教授达尼什·塔夫蒂(Danesh Tafti)说：“除了确定的移动速度外，所有气体的流动性都变得不稳定，它们会起伏波动并形成湍流。”

3.2 混合的气体

下图 所示的漩涡展现的是两种截然不同的气体混合在一起时的模样，上方气体的密度是下方的 3 倍。

在两种气体之间不稳定的分界面，最初的小规模扰动很快变得猛烈起来。科学家认为：这种气体混合时湍流的发现有助于我们了解恒星内部的对流。

3.3 磁场

在新恒星诞生过程中，湍流也扮演了至关重要的角色。气体和其它物质在一颗新诞生的恒星周围的一个圆盘中形成漩涡，但恒星的磁场导致湍流产生，将物质撞出圆盘并使其坠入中央位置。

3.4 流体湍流三维流动

高性能超级计算机仍在费力地勾勒像飞机湍流一样简单的流体湍流轮廓。令人欣慰的是，随着计算机运行速度更快以及效率更高的软件出现，我们将有可能看到更为清晰的图片，展示风如何吹、水如何从龙头流出、流体在宇宙中移动和撞击时会发生什么。

湍流流动与层流流动具有重要的差别，早在 1883 年，著名的雷诺试验表明：管内流体流动时，层流时流体质点轨迹是有规则的光滑曲线。

湍流时流线不再清楚可辨且流场中有许多小漩涡。流体流经障碍时，层流与湍流也显示出明显的差别

通过对大量湍流现象的观测，科学家总结出湍流具有如下主要特征：

●随机性:湍流中流体质点作不规则的运动；流体的各种物理参数，如速度、压力、温度等都随时间与空间发生随机的变化。

●扩散性:湍流的各项特性参数如动量、能量、温度和浓度等通过湍动向各方向传递。

●连续性:湍流中的质点或涡旋体是连续的，服从连续介质基本原理。

●耗散性:湍流是一个耗散系统，粘性切应力不断地把湍动能量转化为流体内能而耗散掉，需要从外部供给能量，湍流才能维持，否则湍动将不断衰减以致消失。

●有旋性、三维性:湍流作为粘性流体的运动，是有旋的，同时，它是一种涡旋运动，涡量是脉动的，旋涡是大小不等的，具有明显的三维特征。

●间歇性:分为内间歇和外间歇。前者指充分发展的湍流场中某些物理量（特别是高阶统计量）并不是在空间（或时间）的每一点上都存在的，即有奇异性；后者指湍流区和非湍流区边界的时空不确定性。例如积云与蓝天之间的界面，湍流边界层与外层之间的界面。

●拟序性:在湍流混合层和剪切湍流边界层中存在大尺度的相干结构和猝发现象，这说明湍流并不是完全无秩序、无内部结构的运动。

本文内容来自：《高等流体力学》归柯庭 钟文琪 编