湍流形成的真实原因—射流涡街现象的深入力学分析
(2011-12-25 07:04:32)
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分类：流体力学涡流理论
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湍流真实成因解密—新发现射流涡街现象力学原理深入分析
刘昌喆发现了与卡门涡街不同的射流涡街，在射流涡街实验中，演示了低速入塘射流会有左右交替生成涡街现象，速度升高以后射流还会出现甩尾现象。

参见本博图片。

自然河流中也常有射流涡街现象，不过至今还没有多少人对此注意。

刘昌喆于2011年录到了深圳沙河中射流涡街视频影像。

参见我新浪博客新发现涡街日志中视频。

北京航空学院（现在的中国航空航天大学）著名教授宁幌讲课说过“流体经不住搓，一搓就有涡。

”这话最早出自普朗特关门女弟子、北航创始人陆士嘉教授。

这种大家熟识的现象力学过程涉及新涡流学理论，对它详细的分析不在本文范围。

简单地描述就是速度差会产生局部低压区域，也可以称为“涡核”。

因低压区使低压区具有速度差部分流束受到法向力，产生法向加速度旋转成涡（或曲线偏转）。

常态速度差的流体“搓出”的涡（或曲线偏转）不会是单独孤立的，一个形成的涡会随流滚动（曲线偏转会随流移动），后面新的速度差条件就会形成新涡，这样就能形成间断的涡系列（或连续的振荡曲线）。

射流的速度差是双面对称存在的，所以两边都有搓出涡的条件。

在一面形成涡旋的后部旋流对于另一面有法向干扰，这一干扰诱导加速了这另一面搓成涡速度，在干扰者身后的对面迅速形成旋向相反的新涡。

这样的过程交替反复，所以会左右交替形成涡列（或正弦振荡曲线）。

这交错对应的两个涡列就是射流涡街，以上就是射流涡街形成过程的力学解释。

在自然界中这种现象的痕迹随处可见，如小股溪流冲过松软平坦的泥滩时，所留下的沟痕不是笔直而是弯曲的。

自然界无论湍急还是舒缓的河流的河岸也基本都是左右交替弯曲，也是这个道理。

所以射流涡街理论也是研究堤岸冲刷力学的理论，值得人们深入研究它。

经实验发现：射流与相对流入环境或界面形成较高速度差时，会出现的甩尾现象。

这在自然界也是常见现象，如常见的通水软管终端在失去约束时会摆动，如蛇样左右弯曲。

就是射流甩尾现象的体现。

是一种不完整回转—波振荡的力学现象。

再进一步增加射流速度时，振荡与微局部搓动涡逐渐剧烈，也就出现湍流。

速度差引起交替成涡和振荡是湍流的真正成因。

船用螺旋桨推进时，向后推出的射流相对水体环境速度很高，所以形成一条向后如沸腾般的湍急流带。

观察雷诺实验的逐渐加速，层流变为湍流过程：在管流断面上，速度按高斯曲线分布。

这是因附面层拖阻引起速度差。

速度差形成交替的低压力区域而不形成完全涡。

而这交替的低压力区域随流移动（其移动速度约为中心流速度二分之一）。

体现形式流体中心开始法向正弦振荡，中心（染色）流形成正弦状曲线以近于中心流动一半速度移动。

随着流速加大振荡频率加快，直至后来形成湍流。

更强的湍流是机械搅拌或强冲击形成的湍流，已超出本文讨论内容。