湍流的研究进展***1（1.****大学，** ** ******）摘要：本文对湍流研究的进展上的一些突出实践做了简要介绍，对于解决湍流的理论依据上的发展，湍流的试验方法，以及近几年来，随着计算机技术的高速发展，湍流的数据处理上更是高速发展。

关键词：湍流；研究；理论依据；试验方法；计算机Research progress of turbulence******（1.** university of **，** **，******）Abstract：The turbulence research progress on some of the prominent practice is briefly introduced in this article. For solving turbulent theory basis of development. The test method of turbulence. And in recent years, with the rapid development of computer technology，turbulent data processing is more rapid development。

Keywords：turbulence；Research；theory evidence；experimental method；Computer1 引言包括已故诺贝尔奖获得者Feynman在内的好几位物理学家认为，湍流是经典物理学中尚未得到解决的一个大难题，对于湍流的研究进展，可以导致许多实际工程及科学应用的进步。

例如，可以减少飞机飞行师气流湍动的影响，提高飞机的机动性，提高发动机的燃料效率（参见Moin and Kim，1997）[1]。

半个多世纪前，Kolmogorov（1941）[2]提出了现在著名的表镀铝和假设它们代表了我们了解湍流性质的重要的里程碑。

在本文中，我们将综述对于湍流基础问题的基本认识的一些进展。

例如，我们将综述以下方面的进展：湍流时的运动方程，湍流的试验进展，计算机对湍流研究的影响。

湍流是杂乱无章地在各个方向上以大小不同的速度运动，流体的质点强烈混合，但是总的或平均的运动是向前的。

湍流中的任一位置上的质点除了在主流方向是的运动以外，还有各方向上附加的及其不规则的运动。

我们将着重讨论不可压缩的各向同性湍流，同时提醒读者主义考虑那些可压缩性对各向同性湍流中能量传递过程影响的文章。

Girimaji and Zhou（1950）[3]研究了Burgers湍流的有关惯性区及远耗散区中的普及能量传递的各种问题。

三维可压缩湍流直接数值模拟（DNS）的分辨率（见Lele，1994的综合文章）[4]却只限于很有限的谱尺度范围。

对于低湍流Mach数，可压缩传递实际上对于所有的谱空间都是正值，这是可压缩能产生的原因。

自从电子计算机出现以后,很多复杂而繁重的计算,都能由计算机来担任,使很多科学工作者从擎杂的简单劳动中解脱出来。

而且用计算机代替人进行计算,既快又准确。

对于和湍流研究有关问题的计算工作当然也不例外。

2 湍流时的运动方程连续性方程与运动方程不能直接用于求解湍流流动问题，这是由于湍流流动极不规则，每一个质点的速度都随着时间和空间随机的变化着[5]。

可以根据时均值的概念即将流场中任一点的瞬时物理量分解为时均值和脉动值，然后应用统计平均的方法从奈维-斯托克斯方程出发，研究平均运动的变化规律。

2.1．湍流的平均动量方程--雷诺方程不可压缩粘性流体Ｎ－Ｓ方程在笛卡儿座标系中的表达式为：（1）（2）故有：（3）对上式进行时均运算，应用脉动值的性质，可得：（4）或（5）这就是著名的“雷诺方程”。

各项的物理意义：--单位质量流体平均运动动量的局部变化率；--单位质量流体平均运动动量的迁移变化率；--作用在单位质量流体上的质量力的平均值；--作用在单位质量流体上的平均流动压力的合力；--作用在单位质量流体上的平均流动粘性力的合力以上各项与层流流动中各项相对应。

湍流的运动方程是解决湍流问题的基本工具，是发展湍流研究的基础。

3 湍流的实验进展3.1 1950年以前湍流实验技术的简述—热线流速仪在本世纪20年代以前,测量流速主要是皮托管等测量平均流速的仪器。

到20年代开始则有热线流速仪[6]。

它是基于非电量电侧法的原理,进行平均流速和瞬时流速测量的一种电测仪器。

热线(热膜)流速仪从发展到现在已有了70余年的历史,其功能逐渐完善,应用范围逐渐扩大,目前是流体力学中应用最广的仪器之一。

,除了热线流速仪以外,曾有染色或带粒子的流场显示的高速摄影等实验手段。

但这些手段对研究湍流多半只有定性的参考价值,没有多少定量的数据可以得到。

3.2湍流随机采样技术的发展和应用众所周知,湍流测量以前大都采用模拟方法,即用各种传感器把湍流脉动信号转化为电讯号,然后再用各种模拟电路把这些讯号加工成所需要的湍流参数。

所谓湍流一般的随机采样技术[7],是指按一定的采样速度,无条件地把湍流内连续的随机信号变换为离散的数字信号,然后用电子计算机技术来加工处理。

通常都用快速傅立叶变换(FFT)法和快速褶积法以及快速相关法等算法。

所谓条件采样,是把湍流中的随机信号,按我们要研究的对象的某种条件来采样,曹如,取采样平均的条件,、或采样位置的条件等等,至于加工处理大都也用电子计算机和各种有效的算法。

采集随机信号的装置,可以是模拟式的,也可以是数字式的。

.通常,随机采样.技术主要有两大类:一是直接的数字采样系统,把湍流信号离散采集在数字磁带上,.然后电子计算机加工处理这些数据;、再是混合系统,’先把湍流信号连续地记录在模拟磁带上,然后用A/D变换器对这些数据离散地加以量化,并采集在数字磁带上,或由A/D变换器直接送入电子计算机处理。

在计算机上可以用软件来加工这些数据,也可以用硬件来处理。

后者一般是做实时讯号分析。

现在常用的是混合系统式的随机采样系统。

用模拟磁带记录湍流信号,通常用得最广的是F丫法,即频率调制方法。

它的原理是使载频信号的频率和输入数据的信号的振幅互相模拟。

它大体上经历调制、磁记录、重发和解调等过程。

;这种方法的主要优点在于能做直流响应,这样就不会丢掉湍流信号中较重要的低频部分。

同时FM法的信噪比也能满足湍流测量精度的要求。

即使这样,由于传感器及其放大系统从直流开始的低频响应一般较差,为了更仔细地研究湍流信号中的低频特性,有时还要采用慢记录快放的办法。

近10年来利用随机采样技术,进行了大量的湍流实验研究,取得了丰硕的成果。

例如用条件采样,,研究过以下湍流现象:关于两个相反方向旋转同心圆柱间的Couet仁e流的螺线湍流间题,关于边界层内T0llmien-sehliehting波的非线性不稳定性,关于剪切流可能是具有某些特征的拟周期波的随机叠加的一些验证性试验;关于气流在波动面上的流动及其相互千涉现象,关于自由湍流或湍流边界层外部区域上的间歇现象,关于近壁粘性层湍斑的形成与发展以及与此相关的碎发现象等等。

通过这些研究发现了湍流的一些重要的新规律和机理,如湍流中的拟序结构等等。

3.3大涡旋模拟按照湍流的涡旋学说，湍流的脉动与混合主要是由大尺度的涡造成的。

大尺度的涡从主流中获得能量，它们是高度地非各向同性的。

而且随流动的情形而异。

大尺度的涡通过相互作用把能量传递给小尺度的涡。

小尺度涡的主要作用是耗散能量，它们几乎是各向同性的，而且不同流动中的小尺度涡有许多共性。

关于涡旋的上述认识就导致了大尺度涡模拟的数值解法。

这种方法旨在用非稳态的Navier－Stokes方程来直接模拟大尺度涡，但不直接计算小尺度涡，小涡对大涡的影响通过近似的模型来考虑。

这种数值计算方法仍然需要比较大的计算机容量3.4 其他湍流技术的发展在其他湍流实验技术中,我们只准备谈一下激光多卜勒流速计[8]。

这是近年来迅速发展起来的一种测速仪器。

它利用了激光多卜勒效应。

由于流体中悬浮粒子的运动使散射光频率产生偏移,测出频率偏移·量就可以算出流体移动的速度。

另外由于粒子的不均匀造成讯号脱落也是很讨厌的间题。

近来采用干涉条纹技术并加大激光功率,虽大有改进,世又引进了一些新问题。

另外昂贵的光学系统,较之热线来说也是远不能相比的。

目前它的应用范围还远不如热线流速仪。

还必须从原理上和技术上进行大的改革,才能得到普遍的推广。

目前和今后相当长的一段时间内,热线(热膜)流速仪仍将是流体力学测量的主要手段。

湍流实验是由理论到实践的重要方式，湍流实验的发展可以有效地促进湍流知识在提高社会生产力中的作用。

4计算机对湍流研究的影响4.1计算机对和湍流研究有关问题计算中所起的作用自从电子计算机出现以后,很多复杂而繁重的计算,都能由计算机来担任,使很多科学工作者从擎杂的简单劳动中解脱出来。

而且用计算机代替人进行计算,既快又准确。

对于和湍流研究有关问题的计算工作当然也不例外[10]。

由于电子计算机的出现,过去人力所没有办法完成的复杂的计算工作变得可以由计算机来完成了。

例如周培源教授的湍流一般理论,过去由于是复杂的联立偏微分方程,所以无法准确求解。

现在有了电子计算机,就可以在机器上用数字方法精确求解了。

4.2湍流的数字模拟旱在40年代,Vou Neumann曾在一次内部报告中有远见地提出,湍流的问题要高速计算机来解决。

以后电子计算机逐步发展,到1965年,三个气象学家集团,即SmagorinskyJ.Manabes&Hollow-ay[11],Leith C.E.，, Mintz Y分别开始用电子计算机来数字模拟二维湍流运动。

以后J.W.Deardorfftlo在1970年开始用计算机数字模拟在高Roynolds数时的三维湍流运动。

以后采用小网格等方法来模拟揣流运动的工作很多。

在数字模拟时,通常采用Navier一StOlces方程和连续方程再加上一定的周期性的边界条件和初始条件进行计算求解[12]。

由于对小的涡旋,网格必须分得很细才行。

而网格的粗细又受到计算机容量的限制。

直到目前为止[13],用计算机数字模拟揣流运动只有大涡旋比较好,小的涡旋则和实验差得比较远。

这里可能有下列儿方面的原因:①网格间距太大,不能反映小涡旋的运动。

这就是刚才所说的一些情况。

但这并不排斥可能有其他因素的影响。

②周期性的边界条件可能和实际涡流运动的边界条件有一定出入。

③Navier-Stokes方程在给定很好的初始条件以后,计算到一定时候要出现分叉。

而电子计算机的计算通常需要解析性条件,在碰到奇点时可能会出问题[12]。

5 结语总的来说,湍流问题离彻底解决还有相当长的距离。

但还是有了不少的进展。

其中值得注意的有下列三点：①解决湍流问题的公式工具增多，让解决问题时有理可循。