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流體的一個最典型特征是，它們不是剛性的，而是在固體物體內部和周圍流動。當流體中的顆粒開始垂直于主導或平均的流動方向移動，并在方向、流速和壓力上出現混亂變化時，就會發(fā)生湍流。這種垂直的、通常是圓形的運動被稱為渦流或旋渦，它與顆粒彼此平行移動的層流形成了鮮明對比。

當液體或氣體的動能產生的慣性力超過流體的粘性力時，層流會轉變?yōu)橥牧鳌Ｍ牧魇腔靵y的，無法使用一組確定性方程進行定義。因此，工程師改為采用統計方法來預測其高度不規(guī)則的行為。

如何計算和表征湍流？

由于湍流的混亂性質，流體力學科學使用統計方法來表征和預測由湍流引起的流體速度、速度波動和壓力波動。這種表征，從被稱為雷諾數的無量綱量開始。然后，其他方程可捕獲對于設計或計算湍流有用的其他行為。

預測湍流：雷諾數

Osborne Reynolds在1883年發(fā)表了一篇論文，描述了簡單管道中從層流到湍流的轉變。論文中的數據表明，內部力和粘性力之間的比值可以幫助預測湍流發(fā)生的可能性。這個無量綱比值，就被稱為雷諾數（Reynolds number）。

用于確定雷諾數的方程為：

ρ = 流體密度（kg/m3）

u =流速（m/s)

L = 特征維度或特征長度，例如管道直徑、水力直徑、等效直徑、翼型弦長（m）

μ = 流體的動態(tài)粘度（Pa·s）

v =運動粘度（m2/s）

一般來說，雷諾數較低的流體保持為層流，因為它們缺乏所需的動能來將流體運動中的任何不穩(wěn)定性轉換為垂直于平均流動方向的流動。當流速或密度相對于流動粘度增加時，更可能發(fā)生湍流。

湍流的4個重要特征

工程師、物理學家和化學家必須考慮的其他重要的湍流特征包括：

1.波動和渦流

湍流的一個重要指標是波動，即速度大小和方向與平均速度大小和方向的變化。當波動呈現旋轉的圓形運動時，它們被稱為渦流。流動中的這些變化驅動了流體的速度矢量壓力和溫度變化，也影響了化學反應中的動能和混合以及作用在結構上的剪切載荷。

2.耗散

產生湍流的動能通過粘性剪切應力轉換為內部能。大渦流中的能量級聯成剪切力較大的較小渦流，而這些較小的渦流會進一步級聯成剪切力更大的更小渦流。隨著渦流越變越小，動能會作為粘性能進行耗散。

3.動能和粘性能

湍流中的動能是每單位體積的動能量，它代表流動中湍流速度波動的平均能量。由于內部摩擦，流體中的粘性力會將部分動能轉化為熱量，這些轉化的熱量被稱為粘性能。

4.質量、動量和能量傳輸

從事流體力學研究的工程師或科學家都希望了解他們所研究的流體流動中的質量、動量和能量傳遞，這對于湍流特別重要，因為其會影響所有傳輸行為的速率。這種傳輸也可以稱為湍流擴散。

如何對湍流進行建模？

工程師使用計算流體力學（CFD）來預測湍流的行為。該數值方法將流態(tài)分解為單元，并使用流體能量、質量和動量守恒的控制方程來計算每個單元中的速度、壓力、密度和溫度。

CFD軟件解決方案，如Ansys Fluent流體仿真軟件和Ansys CFX CFD軟件等，可通過首先確定流體何時從層流轉變?yōu)橥牧鱽眍A測湍流。當湍流存在時，求解器使用各種簡化方程來計算湍流引起的速度、壓力、溫度和渦流。

工程師可以對混合不同材料或極其復雜的多物理場模型進行相對簡單的流動仿真，其中包括層流和湍流對光學、熱和結構性能的影響。在選擇湍流模型之前，成功的關鍵是準確捕獲幾何結構，建立正確的邊界條件和約束條件，定義材料屬性，并應用恰當的數學模型。當工程師需要預測湍流時，這些模型通常由兩類簡化方程組成。

湍流雷諾平均納維-斯托克斯（RANS）模型

第一類湍流建模方程是RANS模型。該方法將流量分解為平均流量和波動分量。RANS模型使用經驗研究來估算湍流行為。一些更常用的RANS模型如下：

Salart-Almaras（SA）模型：這是求解單個傳遞方程的簡單模型。它通常用于外部流，尤其是在空氣動力學中，并且是一種低雷諾數模型。

雙方程模型：工程師使用包含兩個傳輸方程的一系列模型。雙方程可以用于對湍流能和對流的擴散等歷史效應進行建模。第一個傳輸變量可確定湍流中的動能，第二個傳輸變量表示湍流的長度或時間尺度。通用的雙方程模型包括廣義k-?（GEKO）、基線（BSL）、剪切應力傳輸（SST）和K-epsilon（k-ε）等。這些模型可以單獨使用，也可以結合使用，它們最常用于工業(yè)應用。

面向湍流的尺度求解仿真（SRS）模型

第二類湍流建模方程是尺度求解仿真模型，它不求解湍流流體隨時間變化的平均值，而是求解隨時間和空間變化的湍流流體流動。大多數的SRS應用都會采用大渦模擬（LES）模型，用于求解較大渦旋，同時對較小渦流進行單獨建模處理。

LES模型現已經過一段時間的改進和驗證。然而，它們需要更長的求解時間和更大的數值模型，因此，直到計算機性能近期實現了改進，它們才會得到如此頻繁的使用。與RANS模型相比，LES模型需要更多的網格單元、更長的運行時間。算力的提高，尤其是GPU的使用，有助于通過各種SRS/RANS混合模型將SRS模型用于工業(yè)流程，包括：

• 尺度自適應仿真（SAS）
• 分離渦仿真（DES）
• 阻尼分離渦流仿真（SDES）
• 應力混合渦流仿真（SBES）
• 嵌入式大渦仿真（ELES）

為什么了解湍流如此重要？

從人體內的血液流動到計算機的冷卻和空中飛行的飛機，湍流都會影響流體穿過系統的方式，流體與接觸的固體的相互作用方式，以及化學反應和傳熱。一些設計經過了優(yōu)化，可以保持層流并避免湍流。但在一些其他情況下，湍流也有好處。工程師和科學家通過研究流體力學來了解湍流，以便管理湍流并在設計中考慮其影響。

湍流的一個重要特征是，它會增強流體的混合。這種質量傳輸可提高擴散速率，加速化學反應，并增強流體內部的傳熱。在燃氣輪機的燃燒和冷卻中，湍流有助于實現更高效的燃燒并改善渦輪葉片的內部冷卻。混合攪拌應用也會利用湍流來加速材料的組合或更快地溶解顆粒。

在另一個應用領域，血流的示例可以很好地說明湍流是如何導致問題的。血液中渦流引起的剪切應力可能導致血栓形成，在血液中形成凝塊，并阻擋流動。空氣動力學設計的一個重要部分是利用湍流來延遲流動分離，以減少阻力，即在存在不利壓力梯度的區(qū)域引入湍流以延遲流動分離，同時在湍流會增加阻力的區(qū)域減少湍流。湍流引起的大渦流也會產生噪聲或對結構施加壓力載荷。因此，建筑物和橋梁設計工程師，就需要考慮結構周圍湍流中產生的渦流所引起的壓力載荷。

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