.,紊流理论 Turbulence,主讲：李文杰 杨胜发 河海学院303室 18623150937,.,课程内容（10-18周）,一. 绪论 二. 基本方程 三. 基本理论 四. 紊流模型 五. 明渠紊流 六. 紊流前沿成果（杨胜发）,.,二、紊流模型,1、概述 2、雷诺方程数值模拟（RANS） 3、大涡模拟（LES） 4、直接数值模拟（DNS）,.,概述,紊流运动的瞬时连续方程和运动方程 连续方程 运动方程,.,概述,直接求解连续方程和运动方程，即DNS。 原则上讲，DNS并无理论上的困难。 一方面，描述紊流运动的精确的微分方程已经得出，即NS方程；从数学观点看来，紊流就是NS方程的通解。 另一方面，数值计算方法的发展，已足以求解NS方程。 但是，现代计算机的储存的能力和运算速度尚不足以求解任何一个实际的紊流问题。,.,概述,DNS实际应用中的困难 紊流运动所包含的单元，比流动区域的尺度要小得多。为了用数值计算方法求解紊动单元的运动要素，数值计算的网格必须比紊动单元的尺度更小。如此之多的网格点贮存各种变量，远远超过了现代计算机的内存容量，而且，随着网格点的增加，算术运算的次数显著增多，所需计算的时间令人望而却步。 塞弗曼（P G Saffmann）在1977年曾经预言，大约在本世纪末，高度发展的计算机将有足够的能力用数值计算方法求解紊流的精确方程，但在较近的未来，精确地求解紊流问题无疑是不可能的。 到现在，DNS算法已有很大发展。,.,概述,DNS之外的其他方法 求解时均NS方程（即雷诺方程）。 作为紊流的通解， NS方程描述了流体运动的一切细节，但在实际工程中具有重要意义的并不是紊流的一切细节，而是紊流对于时间的平均效应。 雷诺（Osborne Reynolds）建议用统计方法将NS方程取时间平均。但取平均的过程产生了新问题：方程增加了新未知项，时均方程组不再封闭，因此各种类型的紊流模型应运而生。 紊流模型可定义为一组方程，这组方程确定时均流方程中的紊动输运项，从而封闭时均流动方程组（零方程、单方程、双方程）。,.,概述,DNS之外的其他方法 大涡模拟LES。 DNS可以获得尺度大于网格尺度的紊流结构，但却无法模拟小于该网格尺度的紊动结构。 大涡模拟的思路是： DNS模拟大尺度紊流运动，而利用亚网格尺度模型模拟小尺度紊流运动对大尺度紊流运动的影响。 LES较DNS拟占计算机的内存小，模拟需要的时间也短，并且能够得到较雷诺平均模型更多的信息。,.,概述,紊流模型分类 直接数值模拟（DNS）。直接求解NS方程，必须采用很小的时间步长与空间步长。 大涡模拟（LES）。 DNS模拟大尺度运动，亚网格上模拟小尺度运动。 Reynolds时均方程法（RANS）。将NS方程对时间平均，并通过一些假定建立模型，是目前工程中所采用的基本方法。根据对雷诺应力的处理方式不同，分为基于涡粘性假设的模型和应力输运模型两类，根据引入方程的数量，前者又分为零方程、单方程和双方程模型。,.,概述,雷诺时均方程模型发展史 1895年，Reynolds发表对紊流研究结果的文章。 1897年，Boussinesq涡粘性假定。 他们都没有尝试对雷诺方程进行系统的求解，许多粘性流动的机理尚未清楚。 1925年，Prandtl 提出了混合长度理论来计算涡粘性，为早期的研究奠定了基础。早期贡献最为显著的还有von Karman，1930 年提出相似性假定。此类模型并没有引入微分方程，称为零方程或者代数模型。 1945年，Prandtl 提出一个涡粘性依赖于紊动能k的模型，建议使用一个偏微分方程的模型对精确的k方程进行近似，得到了单方程模型，即k方程模型。,.,概述,雷诺时均方程模型发展史 1942年，Kolmogorov提出了第一个完整的紊流模型，除了k方程，还引入了另外一个参数，能量耗散率，得到了双方程模型，即k-模型。70年代得到应用。 他们的共同贡献是指出了封闭 Reynolds 方程或Reynolds 应力的封闭表达式应从湍流脉动场的性质去寻找。称为一阶封闭格式。 周培源（1945）和Rotta（1951），绕过Boussinesq 涡粘性假定，提出了一个描述紊流切应力张量演化的微分方程，即雷诺应力张量，得到了应力输运模型，也称为二阶封闭或者二阶矩封闭模型。70年代得到应用。,.,雷诺方程数值模拟（RANS）,雷诺时均方程的封闭问题 将瞬时值写成时均值+脉动值 ，代入连续方程和运动方程，并对方程两边取平均： 引入数学方程或者代数公式，确定所产生的新未知项雷诺应力 ，而不引入新的变量。,.,雷诺方程数值模拟（RANS）,涡粘性假设（紊动粘性） 对应层流中切应力与流速梯度关系的公式： 引入一个涡粘度 ，将紊流中的雷诺应力与流场中的时均流速梯度建立下述关系：,.,雷诺方程数值模拟（RANS）,涡粘性假设（紊动粘性） 当i=j时，假设不合理，引入湍流脉动所产生的压力 紊流涡粘度与层流中的粘度相对应，也可称为表观粘度。粘度是流体本身的物理特性，与流动情况无关。但是涡粘度则不是流体的物理性质，而是紊流的一种流动特性，决定于流动的时均流速场和边界条件。 引入涡粘性假设并未构成紊流模型，只是提供了构造紊流模型的基础，但使模拟紊动应力问题转化为确定的分布。,.,雷诺方程数值模拟（RANS）,紊动扩散概念 将紊动热(或质量)输运与紊动动量输运直接类比，假设热(或质量)输运与被输运的量有关： 对于热输运问题,称为紊动普朗特数；对于质量输运问题，称为紊动施密特(Schmidt)数。实验表明,在流场中各点，甚至在不同型式的水流中，紊动普朗特数几乎不变。,.,雷诺方程数值模拟（RANS）,零方程模型 介绍三种比较简单的紊流模型（常数模型，混合长模型，自由剪力层模型），均采用紊动粘性概念，均不包含紊动量的微分输运方程。 确定紊动粘性系数的方法 一是直接根据实验资料，用尝试法建立经验公式；主要是常数模型。 二是将紊动粘性系数与时均速度的分布建立联系。主要指混合长模型，自由剪力层模型。,.,雷诺方程数值模拟（RANS）,零方程模型常数模型 对于大体积水体水力计算的计算方法，对整个流场采用一个常数作为紊动粘性（扩散）系数，其数值根据实验资料确定。 在充分发展紊流区，紊动粘性系数是一个常数。没有固体边界的自由剪切紊流，如射流和尾流，紊动粘性系数都是常数。 缺陷：在管道或者槽道的流动中，常数模型过粗，如在明渠水流中，紊动粘性系数沿水深的分布近似为抛物线，如果取为常数，将得不出合理的流速场。,.,雷诺方程数值模拟（RANS）,零方程模型混掺长度模型 在气体运动中，气体分子以随机的方式运动，气体分子运动一个平均分子自由程后与其他气体分子发生碰撞，并产生动量交换。 普朗特（1925年）提出混掺长度理论：假设在紊流运动中，与气体分子运动相似，流体微团在运动过程中保持原有的运动特征不变，直到运行某一距离后与周围其它微团相混掺，失去原有的运动特征（动量、热量、含沙量等），与当地的平均性质取得一致。这一运动距离l，相当于微团的生命跨度，称为紊流的掺混长度。,.,雷诺方程数值模拟（RANS）,零方程模型混掺长度模型 定义 的平均流速差为脉动，则根据泰勒展开,.,雷诺方程数值模拟（RANS）,零方程模型混掺长度模型 根据 v与u具有相同量级，且符号相反，则有 考虑紊动应力与粘性应力符号的一致性有,.,雷诺方程数值模拟（RANS）,零方程模型混掺长度模型 写成紊动粘性系数的形式 如此则封闭了雷诺方程。 混掺长度l由实验确定，它不是流体的一种物理性质，而是与流动情况有关的一个量度。 紊流切应力主要是动量交换产生，则动量交换系数：,.,雷诺方程数值模拟（RANS）,零方程模型混掺长度模型 普朗特假定l与从固体壁面算起的法向距离y成正比： ，k=0.4（平板紊流边界层ly 分布图） 对于自由剪切紊流，混掺长度与断面混掺区宽度成正比 则,.,雷诺方程数值模拟（RANS）,零方程模型混掺长度模型 卡门相似理论。卡门假定：（1）除了在周界外，紊流现象与水流的粘性无关；（2）水流中各点紊动的基本格局彼此相似，所不同的只是时间和长度尺度。 假定水层y1和y2处的流速分别为u1和u2，则在其附近，流速变化可以用泰勒级数表示：,.,雷诺方程数值模拟（RANS）,零方程模型混掺长度模型 卡门相似理论。既然水流中各点紊动的基本格局彼此相似，则影响流速变化的各个因素之间应该成一定比例： 因此,.,雷诺方程数值模拟（RANS）,零方程模型混掺长度模型 卡门相似理论。上式每一项都有长度的尺度，假定与混掺长度成比例，即 卡门在分析时只取上式的第一项 k为卡门常数，一般为0.4。,.,雷诺方程数值模拟（RANS）,零方程模型混掺长度模型 由混掺长度理论和卡门相似理论，即,.,雷诺方程数值模拟（RANS）,零方程模型混掺长度模型 还存在其他混掺长度计算方法，不一一叙述。 缺陷： 对于速度梯度为零的点，零方程模型给出该点紊流切应力为零的错误结论；均未考虑紊动量的对流和扩散输运；缺少通用性，对于不同形式的水流需采用不同的经验常数。 一般说来，混合长模型可用以计算许多简单的剪力层型的流动，因为这种情况下可用经验方法确定；对于紊动输运过程占有重要地位的复杂的水流，很难确定，混合长模型将不再适用。,.,雷诺方程数值模拟（RANS）,零方程模型自由剪力层模型 普朗特在1942年提出了只能用于自由剪力层的模型，比混合长假设更为简单。 他假设在剪力层的任何截面上均为常数，紊动常数比尺正比于宽度，速度比尺正比于横截面上的最大速度差： 模型中的经验常数：,.,雷诺方程数值模拟（RANS）,单方程模型 零方程缺陷：流动的所有信息包含在t或混合长度l之中。而确定t和l时，最多与时均流场的特征相联系，没有考虑湍流脉动特征的影响。 隐含一个事实：湍流脉动特性对时均速度场没有影响。 单方程模型：为了弥补混合长度假设的局限性，增加一个脉动动能k的输运方程：,.,雷诺方程数值模拟（RANS）,单方程模型 脉动部分能量方程，由时均总能量减去时均部分能量得到： 左侧第一、二项为单位体积流体脉动动能的当地变化率和迁移变化率，第三项为脉动压能和动能的迁移变化率；右侧第一项为脉动粘性力对脉动流场的做功，第二项为脉动粘性力对脉动流场变形速率做的变形功，是耗散项，第三项为脉动能量的产生项，表示从时均流动中获取能量维持脉动。,.,雷诺方程数值模拟（RANS）,单方程模型,.,雷诺方程数值模拟（RANS）,单方程模型 不考虑质量力，或在重力场中，压力项代表流体动压力。N-S瞬时方程： 雷诺方程： 两式相减：,.,雷诺方程数值模拟（RANS）,单方程模型 将上式中脚标j改为l（因为是哑标，对方程式无影响，而对下一步推导却带来很大方便），得,.,雷诺方程数值模拟（RANS）,单方程模型 将上式i方向乘以uj，j方向乘以ui，然后相加，进行时间平均得,.,雷诺方程数值模拟（RANS）,单方程模型,.,雷诺方程数值模拟（RANS）,单方程模型 令i=j，将k带入，可得,.,雷诺方程数值模拟（RANS）,单方程模型 可见二者相同。,.,雷诺方程数值模拟（RANS）,单方程模型 代表脉动动能的当地与迁移变化率； 为产生项，雷诺应力对时均流速场所作的变形功； 代表脉动流场中单位质量流体雷诺应力的迁移变化率、由于脉动压力引起的湍流扩散；,.,雷诺方程数值模拟（RANS）,单方程模型 代表由粘性引起的湍流应力扩散，实质为分子扩散； 代表动能方程中的脉动粘性耗散项。 涡粘系数计算式 湍流脉动动能耗散率计算式,.,雷诺方程数值模拟（RANS）,单方程模型 一般说来，采用紊动粘性概念的单方程模型零方程的应用范围更广。 但是，单方程模型中如何确定长度比尺L仍为不易解决的问题。对于比剪力层复杂的流动，确定长度比尺的分布如同在混合长模型当中确定混合长的分布一样，很难用经验方法解决。这使得单方程模型迄今为止仍限用于剪力层流动。对于剪力层型的流动，前已述及，混合长模型也可得