湍流、气旋、和漩涡

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1、湍流是一种高度复杂的三维非稳态、带旋转的不规则流动。在湍流中的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。从物理结构上说，可以把湍流看成是由各种不同尺度的涡旋叠合而成的流动，这些漩涡的大小及旋转轴的方向分布是随机的。大尺度的涡旋主要是有流动的边界条件所决定，其尺寸可以与流场的大小相比拟，是引起低频脉动的原因；小尺度的涡旋主要是有粘性力所决定，其尺寸可能只有流场尺度的千分之一量级，是引起高频脉动的原因。大尺度的涡旋破裂后形成小尺度涡旋。较小尺度的涡旋破裂后形成更小尺度的涡旋。因而在充分发展的湍流区域内，流

2、涕涡旋的尺度可在相当宽的范围内连续地变化。大尺度的涡旋不断地从主流获得能量，通过涡旋间的相互作用，能量组建向小的涡旋传递。最后由于流体粘性的作用，小尺度的涡旋不断消失，机械能就转化（或称为耗散）为流体的热能。同时，由于边界作用、扰动及速度梯度的作用，新的涡旋又不断产生，这就构成了湍流运动。　　流体内部多尺度涡旋的随机运动构成了湍流的一个重要特点：物理量的脉动。　　要注意的是，湍流运动尽管是流体微团的运动，但远未达到分子水平。无论湍流运动多么复杂，非稳态的N—S方程对于湍流的瞬时运动仍然是适用的。　　Van.Kavman和I.GT

3、aylor对湍流的定义为：　　湍流是流体和气体中出现的一种无规则流动现象，当流体流过固体边界或相固流体相互流过时会产生湍流。　　Hinze对湍流的定义为：　　湍流是时间和空间上的一种不规则的随机变化，可利用不同的统计平均值来统计。　　Bradshan对湍流的定义为：　　湍流是宽范围尺度的涡旋组成的。　　用一句话总结湍流：　　在一定雷诺数下，流体表现在时间和空间上的随机脉动运动，流体中含有大量不同尺度的涡旋(eddy)。　　湍流是流体的一种流动状态。当流速很小时，流体分层流动，互不混合，称为层流，也称为稳流或片流；逐渐增加流速，流

4、体的流线开始出现波浪状的摆动，摆动的频率及振幅随流速的增加而增加，此种流况称为过渡流；当流速增加到很大时，流线不再清楚可辨，流场中有许多小漩涡，层流被破坏，相邻流层间不但有滑动，还有混合。这时的流体作不规则运动，有垂直于流管轴线方向的分速度产生，这种运动称为湍流，又称为乱流、扰流或紊流。　　流体作湍流时，阻力大流量小，能量耗损增加。实验证明，能量耗损E与速度的关系为　　△E=kv2式中k是比例系数，它与管道的形状、大小以及管道的材料有关。式中的v是平均流速。在自然间中，我们常遇到流体作湍流，如江河急流、空气流动、烟囱排烟等都是湍

5、流。　　这种变化可以用雷诺数来量化。雷诺数较小时，黏滞力对流场的影响大于惯性力，流场中流速的扰动会因黏滞力而衰减，流体流动稳定，为层流；反之，若雷诺数较大时，惯性力对流场的影响大于黏滞力[1]，流体流动较不稳定，流速的微小变化容易发展、增强，形成紊乱、不规则的湍流流场。　　流态转变时的雷诺数值称为临界雷诺数。一般管道雷诺数Re＜2300为层流状态，Re＞4000为湍流状态，Re＝2300～4000为过渡状态。　　有效地描述湍流的性质至今仍然是物理学中的一个重大难题。　　注：右图为当层流遇到障碍物时转变为湍流　　空气动力学中的湍流

6、　　空气动力学中的湍流指的是短时间（一般少于10min）内的风速波动。换言之，湍流指的是最高频谱峰值。　　湍流产生原因主要有两个：　　1.当空气流动时，由于地形差异（例如，山峰）造成的与地表的“摩擦”；　　2.由于空气密度差异和气温变化的热效应空气气团垂直运动。　　这两种运动往往相互关联。　　湍流对飞行的影响　　湍流是一种气流运动，肉眼无法看见，而且经常不期而至。引发湍流的原因可能是气压变化、急流、冷锋、暖锋和雷暴，甚至在晴朗的天空中也可能出现湍流。湍流并非总能被预测出来，雷达也发现不了它。　　根据美国联邦航空局(FAA)的数据

7、，湍流是导致机上非致命伤害的主要原因，但通常是因为乘客或机组人员没有系好安全带。　　虽然湍流可能导致严重的头部撞击，但通常不大可能致命。据美国联邦航空局统计，从1980年到2004年6月，美国的飞机总共发生过198起湍流事故，导致266人重伤，3人死亡。　　湍流，又称紊流，顾名思义，它是一种很不规则的流动状态，正因为如此，很难对湍流给出确切的定义。1959年J.O.Hinze曾对湍流做过这样的定义：湍流是流体的不规则运动，流场中各种量随时间和空间坐标发生紊乱的变化，然而从统计意义上说，可以得到它们的准确的平均值。从物理结构上，P

8、.Bradshan把湍流定义为：湍流是由宽尺度范围的旋涡组成的。总而言之，在流体力学中，湍流是指具有混乱、随机特性的一团流体区域，流体的压力和速度脉动随时空剧烈变化，在这个区域中动量的对流效果要远大于扩散效果。　　与湍流相对应的是层流，如果流体质点的轨迹是有规则