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作者：Gaurav

要點

●湍流是一種普遍存在的現(xiàn)象，存在于從微觀到宏觀尺度的眾多尺度流動中。

●它涉及混亂、不規(guī)則的流體運動，通常以渦旋和渦流等旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)為特征。

●湍流會顯著影響氣動阻力，并導(dǎo)致流體系統(tǒng)的能量耗散。

為何研究湍流？

流體流動中的湍流行為是經(jīng)典物理學(xué)中最令人關(guān)注且最具挑戰(zhàn)性的問題之一。大多數(shù)流體流動都表現(xiàn)出湍流，湍流在已知宇宙的廣泛尺度上發(fā)揮著關(guān)鍵作用。其影響范圍廣泛，從細胞內(nèi)的微觀生物過程和生物體的循環(huán)系統(tǒng)，到技術(shù)設(shè)備和家用電器。此外，湍流也存在于廣泛的地球物理和天體物理現(xiàn)象中，包括行星內(nèi)部、海洋、大氣和恒星動力學(xué)，甚至延伸到星系和星系際尺度。

在整個 19 世紀(jì)和 20 世紀(jì)，許多杰出的物理學(xué)家和工程師致力于揭示湍流的奧秘。盡管湍流無處不在，但理解其潛在機制并準(zhǔn)確預(yù)測其行為——即使在簡單的場景中——仍然是經(jīng)典物理學(xué)中尚未解決的重大問題之一。湍流研究的動機既在于其固有的機理復(fù)雜性，也在于其在科學(xué)和工程領(lǐng)域的潛在實際效益。

什么是湍流？

湍流是一種復(fù)雜的三維非穩(wěn)定現(xiàn)象，常見于流體流動中，其特征是混沌和不規(guī)則的運動。與層流（流體微團沿平滑有序路徑的運動）不同，湍流的速度、壓力和其他流動特性會發(fā)生快速波動。這些波動以隨機方式發(fā)生，并可能導(dǎo)致整個流體中形成渦流、渦旋和渦旋型態(tài)。

湍流的影響

積極成果

●增強傳熱：湍流改善對流傳熱，從而在熱交換器和暖通空調(diào)系統(tǒng)等應(yīng)用中實現(xiàn)更高效的冷卻或加熱。

●能量耗散：湍流促進流體動能的耗散，有助于抑制振蕩并減輕流體誘導(dǎo)力對結(jié)構(gòu)的影響。

●改善混合性和穩(wěn)定性：湍流增強混合性，延遲流動分離，從而減少形狀阻力，這在許多工業(yè)應(yīng)用中都大有裨益。

負面后果

●能量損失增加：流體流動系統(tǒng)中的湍流會導(dǎo)致更高的摩擦損失，從而降低整體效率。流體內(nèi)剪切應(yīng)力的增加會導(dǎo)致材料疲勞和設(shè)備磨損，進一步損害系統(tǒng)性能。

●不可預(yù)測：湍流的復(fù)雜性使得預(yù)測流體行為變得極具挑戰(zhàn)性，阻礙了工程系統(tǒng)的設(shè)計和優(yōu)化。因此，工程師常常難以準(zhǔn)確地建模和分析湍流系統(tǒng)。

●不必要的混合：雖然湍流可以增強流體混合，但在需要不同流體層的應(yīng)用（例如化學(xué)反應(yīng)器）中，這可能是不利的。相反，湍流帶來的混合和對流傳熱的增強會影響熱交換器和熱系統(tǒng)的效率，有時甚至?xí)碛幸娴挠绊憽?/p>

●不可控：與層流相比，湍流更難控制和穩(wěn)定，這給各種流體動力學(xué)應(yīng)用帶來了重大挑戰(zhàn)。湍流固有的不可預(yù)測性使得調(diào)節(jié)流速、溫度和壓力變得更加困難。

●壓力損失：與層流相比，湍流通常會導(dǎo)致更高的壓降，從而增加流體輸送系統(tǒng)的能耗。這會對系統(tǒng)設(shè)計和運行產(chǎn)生重大影響。

●振動和疲勞：湍流會誘導(dǎo)浸沒在流體中的結(jié)構(gòu)產(chǎn)生振動，從而導(dǎo)致結(jié)構(gòu)疲勞、潛在損壞以及工程系統(tǒng)中的能耗問題。因此，減輕湍流的影響對于確保這些系統(tǒng)的安全高效運行至關(guān)重要。

無序流動結(jié)構(gòu)的特征

湍流系統(tǒng)表現(xiàn)出無序、混沌且看似隨機的行為，因此很難預(yù)測其確切結(jié)果或型態(tài)。由于這些流動對初始條件高度敏感，即使是微小的變化也可能導(dǎo)致截然不同的結(jié)果。這意味著，即使是初始條件的微小變化也可能導(dǎo)致截然不同的結(jié)果，因此不可能重現(xiàn)完全相同的行為。湍流跨越了極其廣泛的長度和時間尺度，從微小的渦流到巨大的大氣運動。值得注意的是，即使是這些系統(tǒng)中最小的尺度也足夠大，足以滿足連續(xù)介質(zhì)假設(shè)，該假設(shè)認為流體是連續(xù)的，而不是離散的。

湍流的一個標(biāo)志是由于分子尺度的粘度而表現(xiàn)出增強的擴散（混合）和能量耗散特性。這意味著湍流系統(tǒng)在混合和分散物質(zhì)以及將動能轉(zhuǎn)化為熱量方面非常有效。湍流本質(zhì)上是三維的、隨時間變化的和旋轉(zhuǎn)的，這與層流不同。具體來說，旋轉(zhuǎn)的存在是湍流的一個關(guān)鍵特征，因為它會導(dǎo)致渦旋和其他復(fù)雜結(jié)構(gòu)的形成。另一方面，勢流根據(jù)定義是無旋的，因此不可能是湍流。湍流的另一個決定性特征是其間歇性行為，其特點是空間和時間上都會出現(xiàn)一陣劇烈的活動，隨后是一段相對平靜的時期。這種不規(guī)則和不均勻的行為反映了復(fù)雜的動力學(xué)，使得湍流難以建模和預(yù)測。

長度和時間的尺度變化

湍流通常有四種主要尺度，分別描述流體運動的不同范圍。這些尺度包括：

●大尺度：此尺度由研究區(qū)域的幾何形狀決定，涵蓋流動的整體尺寸和結(jié)構(gòu)。

●積分尺度或外尺度：此尺度約為大尺度的 10-20%。它用于衡量流動中蘊含能量的渦流。

●泰勒微尺度：介于積分尺度和最小尺度之間，此中間尺度屬于柯爾莫哥洛夫慣性子域。它表征了粘度效應(yīng)開始影響流動的尺度，標(biāo)志著從慣性范圍到耗散范圍的過渡。

●柯爾莫哥洛夫尺度或內(nèi)尺度：這是湍流尺度中最小的尺度，表示粘性力占主導(dǎo)地位且能量耗散的尺度。

值得注意的是，其他物理現(xiàn)象發(fā)揮重要作用的湍流中，可能涉及到額外的尺度，例如傳熱或燃燒。