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关于湍流

作者：xiaoxiao
发表时间：2020-12-23 11:00
来源：未知

湍流现象可以说是自然界最普遍最复杂的现象了，由于他在空间以及时间所包含的尺度非常多，以目前的计算机能力以及数值方法直接通过数值求解N-S方程（即DNS）来得到准确的数值解是不可能的，当前研究该现象主要基于雷诺平均方程（RANS）以及大涡模拟（LES）方法，所能模拟的尺度取决于采用的网格尺度，对于更小尺度则要求助于各种SGS（Sub Grid Scale,亚格子尺度）模型来近似。最初用于湍流研究的是普方法，虽然鼎鼎大名，但是本人没有实际运用过，:-) 后来由于计算机的发展，其他诸如有限差分，有限体积以及有限元方法都被用来进行研究，特别是并行技术的发展，使得一些简单湍流现象如各向同性湍流的直接数值模拟成为可能，虽说这些简化的湍流现象距离真实流动相差甚远，但对于认识湍流的物理结构与机制各方面起到巨大的作用。刚开始接触湍流的时候，觉得真是神秘莫测，直觉想去就是乱七八糟，不像层流那么有规律。而且那些湍流模式连表达式都那么复杂，呵呵。不过逐渐深入下去还是挺有意思的。想想看，就最简单的圆柱绕流，在来流速度比较小时，圆柱后面出现对称附着的涡，现在逐渐加大来流速度，卡门涡阶出现；然后这些脱落的涡变得不规则，最后就转涙为湍流。就这个看似很简单的问题就够人们研究一阵子的了。以上是个人的一点陋见，往补充指正。

对于湍流的处理，在cfd的工程计算中，现在主要是利用雷诺时均方程的方法，在这种方法里面，是将非稳态的控制方程对时间作平均。在这个过程中，又会引入了包括脉动量乘积的时均值等未知量，从而造成了方程的不封闭。因此，所有的湍流模型问题，都是针对封闭时均以后的方程为目的的，在时均化处理的过程中，一次项处理前后形式没有变化，二次项会出现包含脉动值的附加项。对于这个附加项的处理，boussinesq提出了波悉尼可假设，从而使问题加以简化，这就是常用的湍流黏性系数法，在之后的时间里，围绕波悉尼可假设，从而出现了零方程，一方程，二方程等等的湍流模型，虽然这些湍流模型方程在物理意义上是解释不通的，但是，它们能够较好的处理好湍流在工程应用中的问题。个人意见，仅供参考