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BR0.05型板式换热器

流体力学中的湍流与稳定流动有何不同?

来源:BR0.05型板式换热器    发布时间:2023-09-28 11:42:11

  流体力学中的湍流和稳定流动是两种不同的流动状态,它们的区别如下:湍流与非稳定流两个概念的区别:湍流,也称紊流。湍流是指流场中某点流动速度的大小和方向随时间不规则地变化的流动。飞行器在大气中飞行时有可能遭遇到大气湍流、晴空湍流以及湍流尾流。非稳定流是指水在渗流场内运动过程中各个运动要素随时间改变的水流运动。运动要素包括水位、流速、流向等。流动状态:稳定流动是指流体在运动过程中速度和流量均保持不变的状态,流体分子的运动轨迹是有规律的,流动呈现出规则的涡流结构;而湍流是指流体在运动过程中出现的无规则、混沌的流动状态,流体分子的运动轨迹是无规律的,流动呈现出复杂的涡流结构。流动特性:稳定流动的特点是流体分子之间的相互作用力较强,流动速度较慢,流体分子的流动状态是有序的;而湍流的特点是流体分子之间的相互作用力较弱,流动速度较快,流体分子的流动状态是无序的。能量消耗:湍流的产生需要耗费大量的能量,从而使流体的能量逐渐耗散,而稳定流动则不需要消耗过多的能量。应用领域:湍流的产生往往会对流体输送、混合、换热等过程产生一定的影响,因此在空气动力学、水力学、化学工程等领域中得到了广泛应用;而稳定流动则更适合于精密仪器、制造工艺等领域。总之,湍流和稳定流动是两种不同的流动状态,它们在流动状态、流动特性、能量消耗和应用领域等方面都不一样。对于不同的应用场景,要选择适合的流动状态来进行研究和应用。湍流是流体的一种流动状态。当流速很小时,流体分层流动,互不混合,称为层流,也称为稳流或片流;逐渐增加流速,流体的流线慢慢的出现波浪状的摆动,摆动的频率及振幅随流速的增加而增加,此种流况称为过渡流;当流速增加到很大时,流线不再清楚可辨,流场中有许多小漩涡,层流被破坏,相邻流层间不但有滑动,还有混合,形成湍流,又称为乱流、扰流或紊流。

  在自然界中,我们常遇到流体作湍流,如江河急流、空气流动、烟囱排烟等都是湍流。

  湍流是在大雷诺数下发生的,雷诺数较小时,黏滞力对流场的影响大于惯性力,流场中流速的扰动会因黏滞力而衰减,流体流动稳定,为层流;反之,若雷诺数较大时,惯性力对流场的影响大于黏滞力,流体流动较不稳定,流速的微小变化容易发展、增强,形成紊乱、不规则的湍流流场。

  流态转变时的雷诺数值称为临界雷诺数。一般管道雷诺数Re=4000为湍流状态,Re=2320~4000为过渡状态。

  均匀烟流通过厚的平板后形成湍流湍流基本特征是流体微团运动的随机性。湍流微团不仅有横向脉动,而且有相对于流体总运动的反向运动,因而流体微团的轨迹极其紊乱,随时间变化很快(见图2)。湍流中最重要的现象是由这种随机运动引起的动量、热量和质量的传递,其传递速率比层流高好几个数量级。

  湍流利弊兼有。一方面它强化传递和反应过程;另一方面极大地增加摩擦阻力和能量损耗。鉴于湍流是自然界和各种技术过程中都会存在的流体运动状态(例如,风和河中水流,飞行器和船舶表面附近的绕流,流体机械中流体的运动,燃烧室、反应器和换

  热器中工质的运动,污染物在大气和水体中的扩散等),研究、预测和控制湍流是认识自然现象,发展现代技术的重要课题之一。湍流研究主要有两类基本问题:阐明湍流是如何发生的;了解湍流特性。由于湍流运动的随机性,研究湍流必需采用统计力学或统计平均方法。研究湍流的手段有理论分析、数值计算和实验。后二者具备极其重大的工程实用意义。

  中心问题是求湍流基本方程纳维-斯托克斯方程的统计解,由于此方程的非线性和湍流解的不规则性,湍流理论成为流体力学中最困难而又引人入胜的领域。虽然湍流已经研究了一百多年,但是迄今还没有成熟的精确理论,许多基本技术问题得不到理论解释。

  1895年,O.雪诺首先采用将湍流瞬时速度、瞬时压力加以平均化的平均方法,从纳维-斯托克斯方程导出湍流平均流场的基本方程——雷诺方程,奠定了湍流的理论基础。以后发展了(以混合长假设为中心的)半经验理论和各种湍流模式,为解决各种迫切的技术问题提供了一定有效的理论依照。20世纪30年代以来,湍流统计理论,特别是理想的均匀各向同性湍流理论获得了长足的进步,但是离解决实际问题还很远。60年代以来应用数学家采用泛函、拓扑和群论等数学工具,分别从统计力学和量子场论等不同角度,探索湍流理论的新途径。70年代以来,由于湍流相干结构(又称拟序结构)概念的确立,专家们试图建立确定性湍流理论。关于湍流是如何由层流演变而来的非线性理论,例如分岔理论,混沌理论和奇怪吸引子等有了重要进展。

  实质上是求湍流基本方程的数值解。一方面湍流理论困难很大,另一方面湍流问题的可解性随着计算机性能的提高而增大,因而湍流数值计算的作用逐渐重要。以前湍流数值计算主要以半经验理论为基础。60年代以前,积分方法和常微分方程方法成为工程技术部门的常规算法。60年代中期以后,由于高速电子计算机的应用,提出了各种复杂的湍流模式和计算方式,偏微分方程方法获得了迅速发展。特别是,70年代以来,由于第四代巨型高速计算机的使用,湍流数值计算向大规模的数值模拟的更高阶段发展。可以预料,随着计算机的进步,湍流数值计算将有更大的发展。