学习单元五、紊流运动一、紊流运动要素的脉动和时均化研究方法紊流是自然界与工程中最常见的流动现象，硏究其流动中的水头损失具 有更重要的实际工程意义。紊流比层流更复杂，目前的理论并不完善，主要 从半理论半经验的角度介绍紊流的特征及其能量损失的实验研究和计算方 法。紊流流动中流体质点相互掺混，做无定向、无规则的运动，这种不规则 性主要体现在紊流的脉动现象。所谓脉动现象，就是诸如速度、压强等空间 点上的物理量随时间的变化做无规则的即随机的变动。在做相同条件下的重 复试验时，所得的瞬时值不相同，但多次重复实验的结果的算术平均值趋于 一致，具有规律性。下图就是某紊流流动在某一空间固定点上测得的速度随 时间的分布。由于脉动的随机性，统计平均方法就是处理紊流流动的基本手段。流体运动使用比较容易测量和常用的时均法（即时间平均法）。通过对速度分量uxx 的时间平均给出时均法的定义，以同样地获得其他物理量的时均值。时均值1 f Tu (x,y,z,t) = J + 2U (x,y,z,T)dT 疋义为：xT t-T； x式中,dT 时间积分变量；T平均周期，是一常数，它的取法是应比紊流的脉动周期大得 多，而比流动的不恒定性的特征时间又小得多，随具体的流动而定。瞬时值与平均值之差即为脉动值,脉动速度为：u = u -厂；u二u - u。x x x y y y如果紊流流动中，速度等各物理量的时均值不随时间而变，仅仅是空间 点的函数，即称时均流动是恒定流动。紊流的瞬时运动总是非恒定的，而平 均运动可能是非恒定的，也可能是恒定的。工程上关注的总是时均流动，一 般仪器和仪表测量的也是时均值。对紊流运动参数采用时均化后，前面所述 的连续性方程、伯努利方程及动量方程等仍将适用。在管流、射流和物体绕流等紊流流动中，初始来流的紊流度的强弱将影 响到流动的发展。紊流可分为以下 3 种。(1) 均匀各向同性紊流： 在流场中， 不同点以及同一点在不同方向上 的紊流特性都相同。主要存在 于无界的流 场或远离边界的 流场 ，例如远离 地 面的大气层等。(2) 自由剪切紊流： 边界为自由面而无固壁限制的紊流。 例如自由射 流， 绕流中的尾流等， 在自由面上与周围介质发生掺混。(3) 有壁剪切紊流： 紊流在固壁附近的发展受到限制。 如管内紊流 及 绕流边界层等。跟分子运动一样，紊流的脉动也将引起流体微团之间的质量、动量和能 量的交换。 由于流体微团含有大量分子， 这种交换较之分子运动强烈得多， 从而产生了紊流扩散、紊流阻力和紊流热传导。这种特性有时是有益的，例 如紊流将强化换热器的效果；但在考虑阻力问题时，却要设法减弱紊流阻力。