第9章-湍流基础.pdfVIP

. 第 9 章 湍流基础 透平叶栅中的流动是一种性质极为复杂的流动，由于在现代透平中流动的雷诺数很高， 同时透平转子对流 [1] 动的强烈影响，都使得流道中的实际流动呈现湍流状态 。 如果仍然采用层流模型进行数值研究，结果与真 实值间的差距就会加大。此外，湍流其本身也是一个很复杂的问题，一方面它是流体力学领域中尚未解决的问 [ 2 ] 题之一；另一方面，在求解湍流模型的过程中还会产生很多数学上的问题 。 如此一来，叶栅流道内的三维 湍流的数值计算就吸引了众多的学者和工程技术人员。 9.1 湍流的基本概念 9.1.1 湍流的概念和基本结构 自然界中的流动问题和工程实践中所处理的各种流体运动问题更多的是湍流流动问题。 如水在江河中的 流动水通过各种水工建筑物、水处理建筑物的流动，管道中水的流动，污染物质在河流及海洋中的扩散，大气 边界层流动等均多为湍流。 湍流是不同于层流的又一种流动形态。 英国的雷诺于 1883 年，通过其著名的圆 [ 3] 管实验深入的揭示了这两种不同的粘性流动形态 。 虽然一百多年来人们对湍流的研究不断深入，但是由于 湍流运动的极端复杂性，它的基本机理至今仍未被人们所掌握，甚至至今仍然没有一个精确的定义。 雷诺（ Osborne Reynolds,1842 年— 1912 年）把湍流定义为一种蜿蜒曲折、起伏不定的流动（ sinuous motion ）。 泰勒（ G ．I ．Taylor 1886 年— 1975 年）和冯·卡门对湍流的定义是“湍流是常在流体流过固体表 面或者相同流体分层流动中出现的一种不规则的流动” 。 欣策（ J．O ．Hinze ）在他的著作“ Turbulence ” 一书中则认为湍流的更为确切的定义应该是 “湍流是流体运动的一种不规则的情形。 在湍流中各种流动的物理 量随时间和空间坐标而呈现出随机的变化，因而具有明确的统计平均值” 。 同时，在这本书中还把泰勒和卡门 对湍流所下定义中提到的两种流动状况给予专门名称： “壁面湍流”表示流过固体壁面的湍流， “自由湍流”表 [ 4 ] 示流动中没有固体壁面限制的湍流流动。 湍流的运动极不规则， 极不稳定， 每一点的速度随时间和空间都是随机变化的， 因此其结构十分复杂。 现 [ 5 ] 代湍流理论认为 ：湍