工程流体力学湍流课件
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目录
第一章
湍流基础概念
第二章
湍流的数学描述
第四章
湍流模型与模拟
第三章
湍流的产生机制
第六章
湍流在工程中的应用
第五章
湍流实验技术
湍流基础概念
第一章
流体运动分类
层流是有序的流体运动，而湍流则是无序且复杂的，是工程流体力学研究的重点。
层流与湍流
定常流指的是流场中各点的速度不随时间变化，非定常流则相反，速度随时间变化。
定常流与非定常流
不可压缩流体的密度变化可以忽略，而可压缩流体在压力变化下密度会有显著变化。
不可压缩流与可压缩流
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湍流定义与特性
湍流的定义
湍流的统计特性
湍流的尺度
湍流的雷诺数
湍流是流体运动的一种状态，表现为流速、压力等物理量的随机和无序变化。
雷诺数是判断流体流动状态的关键无量纲参数，超过临界值时流体从层流转变为湍流。
湍流包含多种尺度的涡旋，从小尺度的微涡到大尺度的宏观涡旋，形成复杂的流动结构。
湍流的统计特性包括速度场的概率分布、相关函数等，是研究湍流的重要工具。
湍流与层流区别
层流是平稳且有序的流动，而湍流则是不规则且混乱的流动状态。
流动状态的稳定性
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层流通常发生在低雷诺数下，湍流则出现在高雷诺数，反映了流体惯性力与粘性力的相对大小。
雷诺数的对比
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层流中流线平行且清晰，湍流中流线交叉且复杂，存在涡旋和混合现象。
流动特征的差异
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湍流的数学描述
第二章
连续性方程
微分形式的连续性方程描述了流体微元内部密度随时间和空间变化的关系，是流体力学的基础方程之一。
微分形式的连续性方程
积分形式的连续性方程适用于有限控制体积，通过流入和流出控制面的流量积分来表达质量守恒。
积分形式的连续性方程
连续性方程基于质量守恒原理，表明在任何控制体内，流入和流出的质量流量之差为零。
质量守恒原理
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动量方程
湍流模型如k-ε模型，用于简化雷诺平均纳维-斯托克斯方程，以数值模拟湍流的动量传递过程。
湍流模型
通过引入雷诺分解，雷诺平均纳维-斯托克斯方程将湍流的复杂流动分解为平均流动和脉动流动两部分。
雷诺平均纳维-斯托克斯方程
纳维-斯托克斯方程是描述流体运动中动量守恒的偏微分方程，是湍流研究的基础。
纳维-斯托克斯方程
能量方程
湍流动能方程描述了湍流中动能的产生、耗散和传输过程，是理解湍流能量分布的关键。
湍流动能方程
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雷诺应力模型通过引入湍流应力项来描述湍流的动量交换，是能量方程中重要的组成部分。
雷诺应力模型
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湍流耗散率方程用于描述湍流能量的耗散过程，对于预测湍流的衰减和扩散至关重要。
湍流耗散率方程
湍流的产生机制
第三章
不稳定性理论
层流到湍流的过渡
通过雷诺数的增加，层流状态变得不稳定，最终过渡到湍流状态，这是不稳定性理论的核心。
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扰动增长机制
在特定条件下，流体中的微小扰动会随时间增长，导致流体速度和压力场的不规则变化，形成湍流。
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能量级联过程
不稳定性理论解释了能量如何从大尺度结构传递到小尺度结构，直至耗散，是湍流形成的关键过程。
湍流的形成过程
在一定条件下，层流会因流速增加或粘性减小而过渡到湍流，如高速行驶的汽车周围的气流。
层流到湍流的过渡
在流体中引入的微小扰动，如管道中的粗糙度，可随流体运动被放大，最终导致湍流的形成。
扰动的放大
雷诺数是判断流体流动状态的关键无量纲参数，当雷诺数超过临界值时，流动易变为湍流。
雷诺数的影响
影响因素分析
雷诺数是判断流体流动状态的关键无量纲参数，超过临界值时流体易进入湍流状态。
雷诺数的影响
粘性是流体内部摩擦力的体现，高粘性流体更易抑制湍流的产生。
流体粘性的作用
当流体流过物体表面时，边界层的分离会导致流体速度和压力的剧烈变化，进而引发湍流。
边界层分离
流体密度和温度的不均匀分布会增加流体的湍动程度，促进湍流的形成。
流体的不均匀性
湍流模型与模拟
第四章
经典湍流模型
RANS模型通过时间平均处理湍流流动，广泛应用于工程领域，如航空和汽车设计。
雷诺平均纳维-斯托克斯方程（RANS）
DNS不使用任何湍流模型，直接求解纳维-斯托克斯方程，用于研究基础物理问题和验证其他模型。
直接数值模拟（DNS）
LES模型直接模拟大尺度涡流，而小尺度涡流通过亚格子模型来模拟，适用于高雷诺数流动。
大涡模拟（LES）
数值模拟方法
RANS方法通过时间平均或统计平均处理湍流，使用湍流粘性概念来模拟湍流效应。
LES方法过滤掉小尺度涡流，只模拟大尺度涡流，通过亚格子模型来考虑小尺度效应。
DNS通过直接求解Navier-Stokes方程来模拟湍流，无需使用湍流模型，适用于小尺度流动。
直接数值模拟（DNS）
大涡模拟（LES）
雷诺平均纳维-斯托克斯（RANS）
模拟软件介绍
ANSYSF