湍流的现象与描述在线视频

好 那我们首先一起来复习一下

湍流现象

我们用花一点点时间

首先我们来看一看什么

湍流它的基本现象

我们怎么去描述一个湍流

湍流我想大家一听到湍流

可能马上就知道

实际上在自然界很多了

比如我们可能

如果喜欢去看水的话

我们小的时候

经常会在坐在桥上

特别是大水的时候

那个桥后面 桥墩后面

你看到很多很多的尾迹对吧

比如大家到冬天供暖很多烟囱 对吧

你去看那个烟在大气当中

它的扩散的过程

有的时候它笔直的往上走

有的时候会横过来

这实际上就跟大气湍流作用

但最后的结果怎么样

都会消失掉

那消失靠的什么

靠的实际上就是湍流扩散

如果完全没有流动湍流

你比如你整个气体

非常非常静止的时候

你烟囱的烟怎么样

冒的会很远

而且它那个保持的

很长的距离

整个的形状

如果短的话

那就很非常快速的

大概很短的时间就消失没了

像这种现象

实际上就是湍流的

湍流的作用

那比如右边的是

非常典型的一个

一个什么 一个射流

这就是一个湍流射流

你去看它的结构怎么样

它实际上你就可以看出来

它有很多很多细微的结构

也有很多大的结构

它实际上整个的一个过程

你就看出来

它是一个什么样的过程

实际上在

整个的由于什么

由于流动

流体之间的这种不同的速度

使得它开始产生一种什么

粘性的作用

使得它怎么样

产生一个大的涡

大的涡它再进一步作用

它就会变成很多很多小的涡

所以它的结构非常之复杂

这是一个非常典型的

就是一个非常小的湍流

这是一个烟圈

就是喷到壁面上

它就产生了这些涡

你看开始就是两个对称的大涡

但大涡怎么样

接下来就会变成两个小涡

再接下去怎么样

又变成更小的小涡

最后就能分散成什么

非常非常多的小涡

最后就粘性变成什么

完全消失掉

实际上就是一个什么

就是一个从大涡到小涡的

一个过程

好 这就是一首很有名的诗

这是一个物理学家

就是湍流物理学家

叫Richardson

他做的一个大涡

他说大涡里边有小涡

慢慢的由于速度的作用

它会怎么样

小涡的话又会变成更小的涡

最后的话由于粘性的作用

不断的怎么样

就是变成更小更小

最后就消失掉

就由于速度有大涡

不断的有小涡

小涡不断的有粘性耗散

它就有这么一种

很美的这么一种感觉

那么到底什么是湍流

那么湍流实际上是什么

如果我们从现象来看的话

它是一种流体的

一种流动的状态

这种状态当中是怎么样

我们观察到它的速度 压力

还有其它很多的流动参数

比如说像密度 包括温度

随着时间和空间怎么样

出现了一些无规律的脉动

但是进一步你去思考的话

这些不规则的运动怎么样

它在随着这种随机性

但是统计上怎么样

它有一些特性

平均特性是存在的

所以这一些都是不同的定义

但是不同的定义

它基本的一个逻辑

就是说它是一个

首先它是一些随机性

你去观察它的话

速率 压力不断的变

你不知道它怎么回事

但你在真正去仔细考察的时候

你发现它在平均统计上

有它的规律性

这是湍流的一个特点

那么湍流的话

从刚才的描述

它实际上是有涡产生的对吧

所以涡的形成

点涡或者线涡形成了这种湍流

而湍流怎么样

它的某些速度上

就可以变得非常快速

这是湍流的一些特征

所以那到底什么是湍流

那这就是一个非常典型的

任何一个物理量

它随着时间怎么样

这是某一点

它就会发生不断的变化

但它的变化

并不是说是完全发散的

完全没有任何规律的

它是随着某一个

它的平均值怎么样

上下在进行波动

上下在波动

这种现象的话

是我们就可以不断的去看

我们怎么去描述它

怎么能够去很好的把握这种现象

这其中从统计学讲

它就能够去把握这件事情

那么首先它就是用一个什么

用概率密度分布的概念

是什么意思

比如我们任何一个物理量

它说如果是小于某一个值

一个阈值

比如U

比如u

就是实际上

我们假设以速度为例的话

大于U的概率是p的话

我们就定义出它的

就是它的概率密度

那么就可以

来定义出它的什么

平均量和什么

它的任何一个时间的

它的变化量

这样我们统计上

就知道它的平均量的概念

所以大家可能听说过

雷诺

当时那个非常著名的

管流的实验对吧

怎么样使得能够去观察到湍流

那么所以我们在研究湍流的时候

有一个非常非常重要的什么

非常重要的参数叫雷诺数

对不对 雷诺数

而雷诺数的话

实际上是越大

表达的什么

表达实际上它是一个惯性量

和粘性这两个力之间的比较

对不对

就是惯性的特别大

比粘性大的时候

它整个的里边的流动

就受到了很大的这种什么

不确定性

就完全混乱起来了

那么雷诺他后来的话

又定义了什么

我们刚才说了

有通过这样一个统计学的定义

我们定义它的平均量

还定义它的脉动量

那我们假设在一个

足够大的时间尺度里边

我们取它的一个平均量

这个平均量

如果根据统计的话

p就可以这么直接来定义

用它的概率密度分布

来定义出它的一个积分

在足够大的空间里边

积分出来

那就是它的一个平均量

那我们怎么来判断

出现了湍流

实际上我们刚才提到了

就是用雷诺数 对不对

雷诺数表达了实际上是什么

惯性和粘性之比

那比如我们在一个

外流自由流动的话

一个表面流动

可能雷诺数也达到什么

10的五次方量级

如果是一个绕流

绕过一个管道

绕过一个圆球

那绕流很可能就是20000左右

那管流大家可能最熟悉

因为最早雷诺就是用管流

来做实验的

大概就是在2000多对不对

大概2200 2300这样子

对于自然对流

自然对流就是由于

由于密度差引起的

对不对

那实际上它是一个

浮力和粘性力的相互作用

对不对

那么他的话用的是一个什么

Rayleigh数

那么这个数的话

实际上是浮力和什么

粘性力的相互作用

那么自然对流

达到10的8方到10的10次方

它就是变成了什么

变成为湍流

当然这些数不是严格的

就是很精确的

如果比如是你初始的扰动不足

那很可能数就会大一点

如果增加扰动

也许就会更快的能够

能够更早的可以怎么样

转变成湍流

那么在湍流研究当中

非常著名也是雷诺做的

就是你不是有平均量了吗

有脉动量

所以他把任何一个物理量怎么样

变成一个平均量

和脉动量之间是什么 之和

这是一个非常常见的一个做法

也就是平均量可以基本上不变的

而脉动量怎么

随着时间的发展变化的

而脉动量的特点是什么

脉动量的特点是怎么样

它的平均怎么样

就等于零了

而我们进一步

就定义一个特殊的值

也就是把叫做湍流的强度

湍流的强度什么意思

脉动量本身的平均怎么样

是等于零

但脉动量的平方怎么样

再来取均方根的话

它就不等于零了

而这个数代表了

湍流的什么 强度

也就不管是向正的方向脉动

负的方向脉动

我全部把它变成什么

平方项

就看它脉动的大小

所以我们把它定义出

一个湍流强度

那么还有一个相对强度

也就是说什么

均方根除以什么

除以它的平均量

这样的话我们就能够比较好的

不仅仅是用一个什么

平均量去表达

我们把它怎么样

脉动的这种强度也把它表达出来

这变成用了两个参数

可以去表达一个

湍流的大概的一个概念